[發明專利]燃料電池水含量估計系統、方法、計算機設備及存儲介質

有效

• 申請號: 201910040798.5
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109841879B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 李建秋;江宏亮;徐梁飛;洪坡;歐陽明高
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;H01M8/04537
• 代理公司: 11606 北京華進京聯知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉誠

1.一種燃料電池水含量估計方法，其特征在于，

S100，獲取燃料電池的高頻阻抗以及燃料電池的進氣條件和排氣條件，所述高頻阻抗的頻率范圍在320Hz～1kHz；所述進氣條件包括燃料電池的進氣溫度、進氣濕度、進氣壓力和進氣流量；所述排氣條件包括排氣溫度和排氣壓力；

S200，根據所述高頻阻抗估計燃料電池膜電極平均水含量，估計所述燃料電池膜電極平均水含量的具體步驟包括：

S210，根據所述高頻阻抗減去固定電阻R₀，得到膜電極阻抗R；

S220，利用所述膜電極阻抗的計算公式R＝L_PEM/(S*σ)，計算得到膜內平均質子傳導電導率σ，L_PEM表示膜厚度，S表示面積；

S230，根據所述膜內平均質子傳導電導率σ和平均水含量的關系，計算得到所述燃料電池膜電極平均水含量λ；

S240，得到所述燃料電池膜電極平均水含量λ后，將所述燃料電池膜電極平均水含量λ換算成水蒸氣摩爾分數和液態水飽和度；

S300，依據預先設定的水含量估計誤差或者電流密度大小，判斷是否需要估計水含量分布；

S400，如果需要估計水含量分布，則采用如下方法估計水含量分布：

S410，選定凈水傳遞系數初始值；

S420，根據陽極進氣條件和陽極排氣條件，計算陽極腔室平均水蒸氣分壓p_W,A，0和陽極腔室平均水蒸氣濃度c_w,A,o：

p_W,A，0＝x_W,Anp_A其中，x_W,An表示陽極水的摩爾分數，p_A表示陽極氣體壓強；

其中，R為8.314J/mol/K，T是溫度；

S430，根據陰極進氣條件和陰極排氣條件，計算陰極腔室平均水蒸氣分壓p_w,c,o和陰極腔室平均水蒸氣濃度c_w,c,o：

p_W,C，0＝x_W,Cap_C其中，x_W,Ca表示陰極水的摩爾分數，p_C表示陰極氣體壓強；

其中，R為8.314J/mol/K，T是溫度；

S440，根據S420和S430得到的所述陽極腔室平均水蒸氣分壓p_W,A，0和所述陰極腔室平均水蒸氣分壓p_w,c,o判斷是否偏干；

如果判斷結果是偏干，則執行S450和S460，如果判斷的結果是偏濕，則跳過執行S450和S460，直接執行S470；

S450，根據所述陽極腔室平均水蒸氣分壓和凈水傳遞系數計算陽極氣體擴散層與膜電極界面水蒸氣濃度c_W,A,1，陽極氣體擴散層水蒸氣分布為線性分布，

其中，c_W,A,1表示陽極氣體擴散層與膜電極界面處的水蒸氣含量，N是指從陽極流道向陽極催化劑層的水的通量(mol/s)，穩態下也等于穿過膜，從陽極到陰極的水的通量；

c_W,A,0為陽極腔室平均水蒸氣濃度，c_W,A,1是指陽極流道-GDL界面水濃度，c_W,A,0指陽極催化劑層-GDL界面水濃度，D_W,GDL為擴散系數，d_GDL為GDL厚度；

S460，根據陰極腔室平均水蒸氣分壓和凈水傳遞系數計算陰極氣體擴散層與膜電極界面水蒸氣濃度c_W,C,1，陰極氣體擴散層水蒸氣分布為線性分布：

c_W,C,1是指陰極流道-GDL界面水濃度，c_W,C,0指陰極催化劑層-GDL界面水濃度，D_W,GDL為擴散系數，d_GDL為GDL厚度，N是指從陽極流道向陽極催化劑層的水的通量(mol/s)，F為法拉第常數；

S470，計算膜電極和陽極氣體擴散層界面水含量，如果偏干，則取S450的計算結果；如果偏濕，則取陽極腔室水蒸氣濃度近似該界面水含量；

S480，計算膜電極和陰極氣體擴散層界面水含量，如果偏干，則取S460的計算結果，如果偏濕，則取陰極腔室水蒸氣濃度近似該界面水含量；

S490，根據膜電極和陽極氣體擴散層界面水含量和凈水傳遞系數，基于質子交換膜水傳遞模型，計算膜電極和陰極氣體擴散層界面水含量：

α為凈水傳遞系數，I為電流強度，F為法拉第常數，n_drag為電拖拽系數n_drag＝2.5λ/22，D_W,MEA,eff為膜內水傳遞系數，c_W,C,1為陰極催化劑層-膜界面水含量，c_W,A,1為陽極催化劑層-膜界面水含量，t_mem為膜電極的厚度，

S500，將S480和S490中得到的膜電極和陰極氣體擴散層水含量相減得到誤差；

S510，判斷S500中得到的所述誤差是否滿足要求，如果是，執行S520，如果不滿足要求，則更新所述凈水傳遞系數的值，返回S420，采用迭代計算，計算出凈水傳遞系數α；

S520，得到所述凈水傳遞系數α和各個界面處的水濃度，即得到了燃料電池內部的水含量分布，所述各個界面處的水濃度包括陽極流道和陽極氣體擴散層的界面、陽極氣體擴散層和膜電極的界面、膜電極和陰極氣體擴散層的界面以及陰極氣體擴散層和陰極流道的界面。