[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

摘要

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的状态监控方法，包括引入最佳V‑I特性曲线斜率k的大小作为燃料电池稳定工作状态的控制指标，根据测量得到的k的信息产生控制信号，对燃料电池操作条件进行控制，从而调节燃料电池工作在欧姆段的目的。本发明还公开了一种燃料电池的状态监控系统，包括燃料电池电堆(最佳工作温度60℃)、氢气供气管路系统、空气供气管路系统、冷却水循环系统、尾气排放系统、阻抗测试系统、安全监测系统和检测控制系统；本发明通过检测控制系统得到燃料电池V‑I特性曲线斜率k，并以k作为控制指标，使得燃料电池快速恢复至欧姆段，降低了质子交换膜的水淹和膜干的可能，大大提升了燃料电池的性能。

主权项

一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法，其特征在于：监测燃料电池的运行参数，引入理想V‑I特性曲线斜率k的大小作为控制指标，利用控制器产生控制信号，控制燃料电池快速地通过活化段而稳定地工作在欧姆段，避免长时间地工作在浓差段，具体包括以下步骤：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：根据本燃料电池最优输出V‑I特性曲线，可表示出其输出电压：U＝Eoc‑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/αn0F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，imax＝1.2A·cm‑2；m、n为拟合常数；对U求导数得出斜率k：k=|dUdi|=r+bi+m·n·e(ni)---(2)]]>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(iQ，UQ)，利用几何关系求得理想V‑I特性曲线的分段点ia1和ib1，从而确定PEMFC的工作区间(0，ia1)，(ia1，ib1)和(ib1，imax)，这三个区间分别对应活化段、欧姆段和浓差段；根据当前输出电流大小及斜率值确定PEMFC工作状态：由几何知识可知拐点Q必在欧姆段上，则以Q点的斜率k0为基准值，测得当前V‑I输出特性曲线斜率k1，求出Δk＝|k0‑k1|，由仿真曲线导出的数据可知，在电流密度i∈(ia1，ib1)，任意两点间Δk的大小严格遵守Δk≤1，则根据Δk和当前电流密度i1的范围，确定以下判断标准：(1)0≤Δk≤1，则燃料电池工作在欧姆段；(2)Δk＞1，则燃料电池工作在活化段或者浓差段，继续做如下判断：a)如果i1∈(0，ia1)，则确定PEMFC工作在活化段，b)如果i1∈(ib1，imax)，则确定PEMFC工作在浓差段；步骤三，针对不同的工作段制定相应的控制策略：控制器根据采集得到的数据计算出斜率k，得到斜率k与预设斜率基准值k0的偏差Δk，同时根据采集到的电流密度i判断PEMFC工作状态，然后针对不同的工作状态产生相应的控制信号，(1)当PEMFC工作在欧姆段时，说明PEMFC工作在较稳定的状态，控制器继续监测系统运行状态，且确定该拐点必在欧姆段上；(2)当PEMFC工作在活化段时，控制器通过发送控制指令调节水循环系统来给电堆加热，同时通过调节减压阀来增加氢气压力以及控制氢气和空气流量比为理想值，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(ia1，ib1)，燃料电池工作恢复到欧姆段；(3)当PEMFC工作在浓差段时，控制器通过控制水循环系统来给电堆降温，同时减小尾气排放口和排水口的排放周期，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(ia1，ib1)，燃料电池恢复到欧姆段。