[发明专利]质子交换膜燃料电池单片及电池堆工作条件选择量化方法

说明书

本申请公开了一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法以及质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法。上述方法通过绘制燃料电池单片或燃料电池堆的排气空气中的氧气分压力等势线图，沿着氧气分压力等势线选取工作条件，使燃料电池单片或燃料电池堆在每个工作条件下稳定运行一段时间，记录输出电压数据，计算每个工作条件下的统计指标，优化工作条件。当全部工作条件满足全部预期指标后，最后保留的工作条件即为燃料电池单片或燃料电池堆选择的工作条件。该方法提供了一种提高质子交换膜燃料电池工作效率、有效调节质子交换膜燃料电池水含量的工作条件的选择量化方法。

技术领域

本申请涉及但不限于燃料电池领域，具体地，涉及但不限于一种质子交换膜燃料电池单片工作条件的选择量化方法以及质子交换膜燃料电池堆工作条件的选择量化方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，可以将氢气和氧气中存储的化学能转换为电能并生成水，氢气往往来自氢气存储装置(比如高压氢气瓶)，而氧气可来自空气或者存储有氧气的气瓶。

质子交换膜燃料电池对外持续输出电能，需要外界源源不断地向燃料电池供给氢气和氧气，则必须要有氢气供给系统和氧气供给系统。燃料电池能量转化效率低于100％，在向外输出电能的同时，必然有部分化学能转化为热能而对燃料电池进行加热、并使燃料电池升温，为维持燃料电池合适的工作温度，则必须要有调节燃料电池温度的冷却系统。质子交换膜燃料电池单片电压不足1伏而输出电流可达上百安培，为增强燃料电池电能输出能力和扩大场景适用范围，往往将上百片燃料电池单片串联以提供更高的输出电压，这在交通运输领域得到广泛应用。

交通运输车辆(乘用车和商用车等)对质子交换膜燃料电池系统的体积比功率、质量比功率和耐久性有较高的要求，质子交换膜燃料电池系统由燃料电池、附件系统和控制系统组成，质子交换膜燃料电池的结构和性能设计优化、附件系统(氢气供给系统、氧气供给系统和冷却系统等)的匹配设计和优化控制至关重要。

燃料电池附件系统和控制系统给燃料电池持续运行提供了工作条件，燃料电池的工作条件主要包括：燃料电池单片空气侧，空气进气压力、进气过量空气系数、进气空气相对湿度、进气空气温度等；燃料电池单片氢气侧，氢气进气压力、进气过量氢气系数、进气氢气相对湿度、进气氢气温度等；燃料电池单片冷却回路，入口冷却液温度、冷却液流量等。

对于质子交换膜燃料电池，电化学反应生成水过多地聚集在燃料电池单片内部时，燃料电池输出性能会下降；燃料电池单片内含水量过少时，燃料电池输出性能也会下降。对于由多片燃料电池单片串联而成的燃料电池堆来说，各个单片内水含量不均衡加重了燃料电池堆的输出性能和耐久性(短板效应)的恶化。然而，燃料电池系统中燃料电池堆或单片的水含量或者局部水浓度是很难进行测量的，即使现有成熟的相对湿度传感器也难以应用到燃料电池系统中。调节燃料电池的工作条件，会显著影响燃料电池堆或单片的含水量(进气流速越大、进气相对湿度越低、进气和排气温度越高，则单片含水量越少，反之亦然)，进而影响燃料电池的输出性能，因此必须在不直接使用传感器测量燃料电池水含量的前提下，提出一种能够优化质子交换膜燃料电池输出性能的燃料电池工作条件调节方法。

现有技术中，燃料电池的工作条件调节方法包括：当判断出燃料电池堆或单片的水含量过多时，为尽快排出多余水分，可采取的措施有提高进气空气流量、降低进气空气相对湿度、提高进气空气温度、提高排气空气温度、提高冷却液温度、提高进气氢气流量、降低进气氢气相对湿度、提高进气氢气温度、提高排气氢气温度、提高燃料电池空气侧压力、提高燃料电池氢气侧压力等；当判断出燃料电池堆或单片的水含量过少时，为增加燃料电池水含量，可采取的措施有降低进气空气流量、提高进气空气相对湿度、降低进气空气温度、降低排气空气温度、降低冷却液温度、降低进气氢气流量、提高进气氢气相对湿度、降低进气氢气温度、降低排气氢气温度、降低燃料电池空气侧压力、降低燃料电池氢气侧压力等。