[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

本申請提供的所述燃料電池水含量估計方法是基于交流阻抗和水傳遞模型的質子交換膜水含量估計方法。所述燃料電池水含量估計方法對燃料電池水含量的標定時工作量較小，能夠定量估計燃料電池的平均水含量和水含量分布規律。所述燃料電池水含量估計方法不但能夠定性的反應燃料電池內部水含量，也能夠反映燃料電池膜電極平均水含量，燃料電池水含量的分布規律。

技術領域

本申請涉及燃料電池技術領域，特別是涉及一種燃料電池水含量估計系統、方法、計算機設備及存儲介質。

背景技術

燃料電池是一種電化學發電設備，其原理是：燃料(例如氫)和氧化劑(例如空氣)通過膜電極進行電化學反應，產生電動勢。質子交換膜燃料電池通常采用能夠傳遞質子的固體高分子膜作為電解質，反應過程中，質子通過膜從陽極傳遞到陰極，電子通過外接負載從陽極傳遞到陰極。質子交換膜燃料電池具有高效率、零排放等優點，是電動汽車理想的動力源。質子交換膜燃料電池工作過程中，內部水含量對于性能和耐久性均有較大的影響。內部水含量過低，質子交換膜的質子傳導率下降，由質子傳輸導致的電壓降增大，系統的輸出電壓下降，效率變低。過干的情況還可能影響燃料電池內部質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層等各層之間的接觸，導致耐久性問題。內部水含量過高，會出現“水淹”現象，即燃料電池內部出現液態水，阻礙了反應氣體的傳輸導致缺氣，導致性能下降。因此水含量過高和過低都會帶來負面影響，水管理成為了燃料電池研究中的一個關鍵問題。

質子交換膜燃料電池的水管理問題中，水含量的估計是關鍵問題。由于燃料電池結構精細，內部結構均為幾十到幾百微米厚的薄層，在實驗室當中可以采用中子成像、透明燃料電池、X射線衍射、打孔微型照相機照相的方法測量水含量。但實驗室中的這些方法難以實現精確地定量測量水含量，并且無法應用時實際系統當中。

傳統的燃料電池水含量估計方法中，用氣體壓力降估計水含量。該方法僅適用于水含量較多并且出現液態水的情況下的估計，在無液態水的情況下估計結果精度較差。并采用氣體壓力降估計水含量得到的僅為定性關系，需要對特定的燃料電池進行實驗標定后才能得到水含量，該方法適用范圍較窄。

發明內容

基于此，有必要針對傳統的方法僅能估計水含量的定性關系的問題，提供一種燃料電池水含量估計系統、方法、計算機設備及存儲介質。

一種燃料電池水含量估計方法，

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；

S200，根據所述高頻阻抗、所述進氣條件和所述排氣條件計算燃料電池的陽極進氣摩爾分數和陰極進氣摩爾分數；

S300，根據所述陽極進氣摩爾分數計算陽極腔室氣體濃度，根據所述陰極進氣摩爾分數計算陰極腔室氣體濃度；

S400，根據陽極腔室氣體濃度和陰極腔室氣體濃度計算凈水傳遞系數；

S500，基于質子交換膜燃料電池水傳遞模型結合所述凈水傳遞系數，計算膜電極和陰極氣體擴散層界面水含量分布規律，以得出燃料電池膜電極平均水含量以及燃料電池水含量的分布規律。

在一個實施例中，所述燃料電池膜電極平均水含量用以下公式獲得：

λ為所述燃料電池膜電極平均水含量，χ_W表示水的摩爾分數，P表示氣體總壓強，P_sat表示飽和蒸氣壓。

在一個實施例中，所述燃料電池膜電極平均水含量滿足函數關系式σ＝f(λ，T)其中，σ為質子交換膜質子傳導電導率，λ為所述燃料電池膜電極平均水含量，T為燃料電池的溫度，所述函數關系式σ＝f(λ，T)通過實驗測量得到。

在一個實施例中，所述步驟S400，根據陽極腔室氣體濃度和陰極腔室氣體濃度計算凈水傳遞系數的步驟包括：