[發明專利]質子交換膜燃料電池溫度測量和控制系統及方法

在審

• 申請號: 202011239968.1
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112366338A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 譚建峰;馬建勇;裴國英;郭小平;宋新玲;程強;馮澤榮
• 申請（專利權）人: 深圳潤世華研發科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0432
• 分類號: H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/04992;H01M8/04007
• 代理公司: 北京奧文知識產權代理事務所(普通合伙) 11534
• 代理人: 張文;苗麗娟

1.一種質子交換膜燃料電池溫度測量和控制系統，所述質子交換膜燃料電池包括質子交換膜、陽極催化劑層和陰極催化劑層、陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層、陽極板和陰極板，其特征在于，所述質子交換膜燃料電池溫度測量和控制系統包括溫度測量單元、初始溫度控制單元和冷卻控制單元，其中：

溫度測量單元包括紅外熱像儀以及反應表面溫度計算模塊，紅外熱像儀測量質子交換膜燃料電池陰極板和陽極板的背面溫度，反應表面溫度計算模塊根據來自紅外熱像儀測得的陰極板和陽極板的背面溫度計算質子交換膜燃料電池的反應表面溫度，其中所述反應表面是陰極催化劑層與質子交換膜的交界面；

初始溫度控制單元設置在燃料電池和燃料電池的儲氫設備之間，包括第一電加熱器和第一溫度傳感器，第一電加熱器對儲氫設備中的氫進行加熱，第一溫度傳感器檢測經第一電加熱器加熱后的氫的初始溫度；

冷卻控制單元連接于燃料電池，包括第二溫度傳感器、第二電加熱器、板式換熱器、水泵、補水系統、第三溫度傳感器、以及PID控制器。

2.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池溫度測量和控制系統，其特征在于，在陽極板和陰極板的背面分別設置有陽極板黑體觀察面和陰極板黑體觀察面，所述陽極板黑體觀察面和所述陰極板黑體觀察面由鋁或不銹鋼材料制成。

3.一種質子交換膜燃料電池溫度測量和控制方法，其利用權利要求2所述的質子交換膜燃料電池溫度測量和控制系統對質子交換膜燃料電池溫度進行測量和控制，其特征在于，所述質子交換膜燃料電池溫度測量和控制方法包括：

步驟1：利用紅外熱像儀對陽極板黑體觀察面和陰極板黑體觀察面進行溫度測量以得到陽極板背面溫度和陰極板背面溫度，包括：將陽極板黑體觀察面的觀測面積劃分為多個小區域，通過紅外熱像儀測得每個小區域的溫度，再將所有小區域的溫度進行平均即為陽極板背面溫度；將陰極板黑體觀察面的觀測面積劃分為多個小區域，通過紅外熱像儀測得每個小區域的溫度，再將所有小區域的溫度進行平均即為陰極板背面溫度；

步驟2：通過反應表面溫度計算模塊根據陽極板背面溫度和陰極板背面溫度計算質子交換膜燃料電池的反應表面溫度，包括：

(1)建立質子交換膜燃料電池一維換熱模型，在所述一維換熱模型中，燃料電池分為上部的肋部和下部的流道部，并且燃料電池的傳熱沿平面方向進行，反應表面產生的熱量分別傳遞到陰極板和陽極板；

(2)根據如下公式1計算多孔介質的有效導熱系數，其中所述多孔介質包括質子交換膜、陽極催化劑層和陰極催化劑層、陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層、陽極板和陰極板，

公式1：

在公式1中，k_E是有效導熱系數，單位為W/(m·K)，k_S為多孔介質固體部導熱系數單位為W/(m·K)，k_F為多孔介質流體部導熱系數，單位為W/(m·K)，ε為多孔介質孔隙率；

(3)根據如下公式2、公式3、公式4和公式5計算燃料電池各部件的總傳熱系數，其中燃料電池各部件包括質子交換膜、陽極催化劑層和陰極催化劑層、陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層、陽極板和陰極板，

公式2：

公式3：

公式4：

公式5：

在公式2、公式3、公式4和公式5中，K_rib.c為陰極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；K_rib.a為陽極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；K_chan.c為陰極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；K_chan.a為陽極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；δ_cat為陽極催化劑層和陰極催化劑層的厚度，單位為mm；k_cat為陽極催化劑層和陰極催化劑層的有效導熱系數，其通過公式1計算；δ_GDL為陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層的厚度，單位為mm；k_GDL為陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層的有效導熱系數，其通過公式1計算；δ_rib為陽極板和陰極板的肋部厚度，單位為mm；k_rib為陽極板和陰極板的肋部有效導熱系數，其通過公式1計算；δ_sep為陽極板和陰極板的扣除肋部后的剩余部分的厚度，單位為mm；k_sep為陽極板和陰極板的扣除肋部后的剩余部分的有效導熱系數，其通過公式1計算；δ_PEM為質子交換膜的厚度，單位為mm；k_PEM為質子交換膜的有效導熱系數，其通過公式1計算；

(4)根據如下公式6、公式7、公式8、公式9和公式10計算燃料電池反應表面的總換熱量，

公式6：Q_rib.c＝AK_rib.c(T_react-T_surf.c)/2

公式7：Q_rib.a＝AK_rib.a(T_react-T_surf.a)/2

公式8：Q_chan.c＝AK_chan.c(T_react-T_surf.c)/2

公式9：Q_chan.a＝AK_chan.a(T_react-T_surf.a)/2

公式10：Q_react＝Q_rib.c+Q_rib.a+Q_chan.c+Q_chan.a

在公式6、公式7、公式8、公式9和公式10中，Q_rib.c為陰極板肋部換熱量，單位為W；K_rib.c為陰極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)，其通過公式2計算；A為換熱面積，單位為m²；T_react為反應表面溫度，單位為℃；T_surf.c為陰極板背面溫度，單位為℃；Q_rib.a為陽極板肋部換熱量，單位為W；K_rib.a為陽極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)，其通過公式3計算；T_surf.a為陽極板背面溫度，單位為℃；Q_chan.c為陰極流道部換熱量，單位為W；K_chan.c為陰極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)，其通過公式4計算；Q_chan.a為陽極流道部換熱量，單位為W；K_chan.a為陽極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)，其通過公式5計算；Q_react為燃料電池反應表面的總換熱量，單位為W；

(5)根據如下公式11、公式12、公式13和公式14計算得到燃料電池反應表面的總換熱量，

公式11：Q_react＝ΔH-ΔG

公式12：

公式13：ΔG＝I×V

公式14：

在公式11、公式12、公式13和公式14中，Q_react為燃料電池反應表面的總換熱量，單位為W，其通過公式6至10計算；ΔH為反應過程燃料電池所釋放的能量；ΔG為燃料電池的發電功率；C_H2是供應到燃料電池的H₂的摩爾流量，單位為mol/s，q_HHV指定為高熱值285.33kJ/mol；I為燃料電池的負載電流，單位為A；V是燃料電池的負載電壓，單位為伏；n為電荷數；F為法拉第常數，單位為c/mol；

(6)利用熱量守恒原則確定反應表面溫度與雙極板背面溫度之間的關系，將上述公式1至9和11至14都帶入到公式10中，整理后得出如下公式15，

公式15：

其中，T_react為反應表面溫度，單位為℃；T_surf.c為陰極板背面溫度，單位為℃；T_surf.a為陽極板背面溫度，單位為℃；Q_react為燃料電池反應表面的總換熱量，單位為W；K_rib.c為陰極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；A為換熱面積，單位為m²；K_chan.c為陰極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；K_chan.a為陽極流道部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；K_rib.a為陽極板肋部總傳熱系數，單位為W/(m²K)；

步驟3：利用初始溫度控制單元和冷卻控制單元對質子交換膜燃料電池的溫度進行控制，包括：

依據燃料電池電堆發生電化學反應所需的最優溫度范圍要求，通過初始溫度控制單元對燃料電池的供氣初始溫度進行控制，由第一電加熱器對儲氫設備中的氫進行加熱，由第一溫度傳感器檢測經第一電加熱器加熱后的氫的初始溫度；

利用冷卻控制單元實現燃料電池運行過程中的溫度保持和熱能量交換，在水泵正常運行過程中同時開啟溫度控制，如果第三溫度傳感器測量到的溫度高于目標溫度值，通過PID控制器調高流入板式換熱器的冷卻水流量，將溫度控制到目標溫度值；如果第三溫度傳感器測量到的溫度低于目標溫度值，通過PID控制器制調低流入板式換熱器的冷卻水流量，將溫度控制到目標溫度值，其中目標溫度值為計算出的反應表面溫度或者是由第一溫度傳感器檢測到的經第一電加熱器加熱后的氫的初始溫度。

4.如權利要求3所述的質子交換膜燃料電池溫度測量和控制方法，其特征在于，如果第一溫度傳感器檢測到的氫的初始溫度達到最優溫度范圍，則將氫供應到燃料電池內以發生電化學反應；如果第一溫度傳感器檢測到的氫的初始溫度未達到最優溫度范圍，則由第一電加熱器對儲氫設備中的氫再次進行加熱，直至由第一溫度傳感器檢測到的氫的初始溫度達到最優溫度范圍。