[发明专利]一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统。

背景技术：

能源是社会和经济的命脉。近年来，随着世界经济的快速发展，能源消耗日益增加，传统的能源资源日益减少，能源价格不断创出历史新高。同时，经济的快速发展也带来了严重的环境问题，利用清洁能源和可再生能源已成为世界能源发展的必然趋势。燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点使其成为最具有发展前景的一种清洁能源。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为燃料电池的一种，具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及使用纯氢气时不会造成环境污染等优点，有着光明的市场应用前景。

PEMFC的输出主要有活化损失、欧姆损失和浓差损失。按照三种损失在不同的工作阶段所占比重的大小，对应着将整个PEMFC系统的V-I输出特性曲线分成了三段，即活化段I、欧姆段II和浓差段III(如附图2所示)。“水淹”和“膜干”是当前影响质子交换膜燃料电池系统工作性能和可靠性的突出问题，燃料电池长时间工作在活化段I，很容易失水导致阳极“膜干”。燃料电池长时间工作在浓差段III，很容易导致阴极“水淹”。而燃料电池工作在欧姆段，不仅工作稳定，而且电压损耗低，发电效率高。经实验研究，厂家给定的PEMFC输出功率适宜范围均在欧姆段。本文主要目的是控制PEMFC工作在欧姆段，有效地降低了质子交换膜的水淹和膜干的可能性。

发明内容：

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于简化现有的复杂控制策略，提出一种能使燃料电池工作在欧姆段的准确控制方法，该控制方法能够根据当前的输出状态及时地调整燃料电池单元内的含水量及电堆的温度等操作条件，从而使得燃料电池工作在一个稳定、安全的状态。

如附图2所示为质子交换膜燃料电池的理想V-I特性曲线。活化段I和浓差段III这两条曲线的斜率的大小要远大于欧姆段(近似直线)的斜率的大小，而且活化段I和浓差段III这两条曲线的斜率相差不大。基于这个普遍的规律，本发明提出，通过控制PEMFC输出的V-I特性曲线的斜率大小来实现对燃料电池的准确控制，即在PEMFC启动之前，通过预先升温来提高它的电化学反应速率，使其快速达到欧姆段；在PEMFC工作一段时间后，实时监测PEMFC的工作状态，并控制其工作在欧姆段。

为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池状态监测方法及系统包括以下步骤：

步骤一：给电堆预热。

在启动PEMFC之前，通过水循环系统将电堆温度升高至最佳工作温度值。

步骤二：计算V-I特性曲线在不同电流密度下的斜率k大小并确定PEMFC工作状态。

PEMFC在工作过程中，其理想输出应为电化学电动势，由于存在不可逆损失，电池输出电压会随之下降。实际上，燃料电池的不可逆电压损失就是极化过电压，主要由活化极化作用、欧姆极化作用和浓差极化作用引起。其输出电压可表示为：

U＝E_oc-a-bln(i)-i·r-m·e⁽ⁿⁱ⁾(1)

其中，a＝-RT/αn₀F*ln(i₀)为常数，与交换电流密度i₀、电荷转移系数α以及每摩尔反应物的交换质子数n₀有关。b＝RT/an₀F为Tafel斜率。普适气体常数R＝8.314J/K·mol。法拉第常数F＝96486C/mol。r为单位面积欧姆内阻。i为电流密度，i_max＝1.2A·cm^-2。m、n为拟合常数。

对U求导数得出斜率k：

求出理想V-I特性曲线的拐点：

对斜率k求导数，得：

令k′＝0得到拐点Q(i_Q，U_Q)。

如附图2所示，连接Q点和理想V-I特性曲线与两坐标轴的交点，得到两条线段，分别求理想V-I特性曲线到两条线段距离最远的点，得到理想V-I特性曲线的分段点i_a1和i_b1。从而确定PEMFC的工作区间(0，i_a1)，(i_a1，i_b1)和(i_b1，i_max)，这三个区间分别对应活化段、欧姆段和浓差段。