[發明專利]一種水冷型質子交換膜燃料電池的狀態監控方法及系統

有效

• 申請號: 201610037081.1
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105702985B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 衛東;李志勇;徐創;高志;常亞文
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;H01M8/04701;H01M8/04746
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種水冷型質子交換膜燃料電池的狀態監控方法及系統。

背景技術：

能源是社會和經濟的命脈。近年來，隨著世界經濟的快速發展，能源消耗日益增加，傳統的能源資源日益減少，能源價格不斷創出歷史新高。同時，經濟的快速發展也帶來了嚴重的環境問題，利用清潔能源和可再生能源已成為世界能源發展的必然趨勢。燃料電池良好的操作性能、發電環境友好等優點使其成為最具有發展前景的一種清潔能源。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作為燃料電池的一種，具有運行溫度低、功率密度高、響應快、啟動快、穩定性好以及使用純氫氣時不會造成環境污染等優點，有著光明的市場應用前景。

PEMFC的輸出主要有活化損失、歐姆損失和濃差損失。按照三種損失在不同的工作階段所占比重的大小，對應著將整個PEMFC系統的V-I輸出特性曲線分成了三段，即活化段I、歐姆段II和濃差段III(如附圖2所示)。“水淹”和“膜干”是當前影響質子交換膜燃料電池系統工作性能和可靠性的突出問題，燃料電池長時間工作在活化段I，很容易失水導致陽極“膜干”。燃料電池長時間工作在濃差段III，很容易導致陰極“水淹”。而燃料電池工作在歐姆段，不僅工作穩定，而且電壓損耗低，發電效率高。經實驗研究，廠家給定的PEMFC輸出功率適宜范圍均在歐姆段。本文主要目的是控制PEMFC工作在歐姆段，有效地降低了質子交換膜的水淹和膜干的可能性。

發明內容：

本發明是鑒于上述問題作出的，目的在于簡化現有的復雜控制策略，提出一種能使燃料電池工作在歐姆段的準確控制方法，該控制方法能夠根據當前的輸出狀態及時地調整燃料電池單元內的含水量及電堆的溫度等操作條件，從而使得燃料電池工作在一個穩定、安全的狀態。

如附圖2所示為質子交換膜燃料電池的理想V-I特性曲線。活化段I和濃差段III這兩條曲線的斜率的大小要遠大于歐姆段(近似直線)的斜率的大小，而且活化段I和濃差段III這兩條曲線的斜率相差不大。基于這個普遍的規律，本發明提出，通過控制PEMFC輸出的V-I特性曲線的斜率大小來實現對燃料電池的準確控制，即在PEMFC啟動之前，通過預先升溫來提高它的電化學反應速率，使其快速達到歐姆段；在PEMFC工作一段時間后，實時監測PEMFC的工作狀態，并控制其工作在歐姆段。

為了達成上述目的，本發明所述的燃料電池狀態監測方法及系統包括以下步驟：

步驟一：給電堆預熱。

在啟動PEMFC之前，通過水循環系統將電堆溫度升高至最佳工作溫度值。

步驟二：計算V-I特性曲線在不同電流密度下的斜率k大小并確定PEMFC工作狀態。

PEMFC在工作過程中，其理想輸出應為電化學電動勢，由于存在不可逆損失，電池輸出電壓會隨之下降。實際上，燃料電池的不可逆電壓損失就是極化過電壓，主要由活化極化作用、歐姆極化作用和濃差極化作用引起。其輸出電壓可表示為：

U＝E_oc-a-bln(i)-i·r-m·e⁽ⁿⁱ⁾(1)

其中，a＝-RT/αn₀F*ln(i₀)為常數，與交換電流密度i₀、電荷轉移系數α以及每摩爾反應物的交換質子數n₀有關。b＝RT/an₀F為Tafel斜率。普適氣體常數R＝8.314J/K·mol。法拉第常數F＝96486C/mol。r為單位面積歐姆內阻。i為電流密度，i_max＝1.2A·cm^-2。m、n為擬合常數。

對U求導數得出斜率k：

求出理想V-I特性曲線的拐點：

對斜率k求導數，得：

令k′＝0得到拐點Q(i_Q，U_Q)。

如附圖2所示，連接Q點和理想V-I特性曲線與兩坐標軸的交點，得到兩條線段，分別求理想V-I特性曲線到兩條線段距離最遠的點，得到理想V-I特性曲線的分段點i_a1和i_b1。從而確定PEMFC的工作區間(0，i_a1)，(i_a1，i_b1)和(i_b1，i_max)，這三個區間分別對應活化段、歐姆段和濃差段。