[發(fā)明專利]質(zhì)子交換膜燃料電池溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011239968.1
• 申請(qǐng)日: 2020-11-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112366338A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚建峰;馬建勇;裴國(guó)英;郭小平;宋新玲;程強(qiáng);馮澤榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳潤(rùn)世華研發(fā)科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/0432
• 分類號(hào): H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/04992;H01M8/04007
• 代理公司: 北京奧文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11534
• 代理人: 張文;苗麗娟

本發(fā)明公開(kāi)了一種質(zhì)子交換膜燃料電池溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括溫度測(cè)量單元、初始溫度控制單元和冷卻控制單元，溫度測(cè)量單元包括紅外熱像儀以及反應(yīng)表面溫度計(jì)算模塊，紅外熱像儀測(cè)量燃料電池陰極板和陽(yáng)極板的背面溫度，反應(yīng)表面溫度計(jì)算模塊根據(jù)陰極板和陽(yáng)極板的背面溫度計(jì)算燃料電池的反應(yīng)表面溫度；所述方法包括利用紅外熱像儀對(duì)陽(yáng)極板黑體觀察面和陰極板黑體觀察面進(jìn)行溫度測(cè)量以得到陽(yáng)極板背面溫度和陰極板背面溫度，通過(guò)反應(yīng)表面溫度計(jì)算模塊根據(jù)陽(yáng)極板背面溫度和陰極板背面溫度計(jì)算質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)表面溫度，利用初始溫度控制單元和冷卻控制單元對(duì)燃料電池的溫度進(jìn)行控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)以及質(zhì)子交換膜燃料電池溫度測(cè)量和控制方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是全新、高效、節(jié)能、清潔的發(fā)電方式，其優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)電功率高、啟動(dòng)速度塊、能量轉(zhuǎn)化效率高，目前，在新能源汽車、國(guó)防、航天、計(jì)算機(jī)與通訊等許多領(lǐng)域有巨大的市場(chǎng)和十分廣泛的應(yīng)用前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要是由多板堆疊而成的板狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，質(zhì)子交換膜燃料電池包括質(zhì)子交換膜1、陽(yáng)極催化劑層2和陰極催化劑層2′、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層3和陰極氣體擴(kuò)散層3′、陽(yáng)極板4和陰極板4′，其中，陽(yáng)極催化劑層2、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層3和陽(yáng)極板4按照從靠近質(zhì)子交換膜1到遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜1的順序逐次設(shè)置在質(zhì)子交換膜1的一側(cè)，類似地，陰極催化劑層2′、陰極氣體擴(kuò)散層3′和陰極板4′按照從靠近質(zhì)子交換膜1到遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜1的順序逐次設(shè)置在質(zhì)子交換膜1的另一側(cè)。質(zhì)子交換膜1是燃料電池的核心，不但可以作為質(zhì)子的傳遞通道，而且作為隔離膜將陰極的氧化劑和陽(yáng)極的燃料分隔。陽(yáng)極催化劑層2和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層3組成陽(yáng)電極，陰極催化劑層2′和陰極氣體擴(kuò)散層3′組成陰電極，其中陽(yáng)極催化劑層2和陰極催化劑層2′是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方，內(nèi)部粗糙且多孔，使其有足夠的表面積來(lái)促進(jìn)氧氣和氫氣的電化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層3和陰極氣體擴(kuò)散層3′是由導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，起著收集電流和支撐催化劑層的作用，而且還為電化學(xué)反應(yīng)提供通道。陽(yáng)極板4和陰極板4′構(gòu)成雙極板，起到傳遞和分隔燃料與氧化劑的作用，還為反應(yīng)氣體進(jìn)入電極和水的排出提供結(jié)構(gòu)支持。

但是，質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展依然存在一些阻礙，具體表現(xiàn)為燃料電池內(nèi)的溫度和氣體質(zhì)量濃度分布不均勻，局部受熱引起的局部溫度升高和氣體擴(kuò)散不均勻，導(dǎo)致了使用壽命的降低及發(fā)電量的減少。其中溫度分布對(duì)其性能的影響至關(guān)重要，溫度分布不均勻可能促使質(zhì)子交換膜以及陽(yáng)極和陰極催化劑層的分解，以及可能使反應(yīng)生成的水發(fā)生相變，進(jìn)一步影響燃料電池的性能。

具體而言，燃料電池內(nèi)的溫度通常以反應(yīng)表面溫度來(lái)典型地表征，反應(yīng)表面是指陰極催化劑層與質(zhì)子交換膜的交界面。質(zhì)子交換膜燃料電池在工作過(guò)程中除了發(fā)電外，還會(huì)產(chǎn)生大量的熱，因此如果在高溫工況下散熱不及時(shí)會(huì)使反應(yīng)表面溫度分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致燃料電池發(fā)電性能降低，甚至溫度過(guò)高還會(huì)致使質(zhì)子交換膜脫水，使質(zhì)子交換膜的質(zhì)子導(dǎo)電率降低，影響燃料電池的整體性能。但若燃料電池局部溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致催化劑的活性和反應(yīng)速率降低。

因而，有必要對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行溫度測(cè)量和控制。現(xiàn)有技術(shù)中，主要通過(guò)將熱電偶或熱敏感應(yīng)器等裝置放置于燃料電池內(nèi)部并進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)讀取。這種溫度測(cè)量方法由于熱電偶或熱敏感應(yīng)器和燃料電池做成一體，因此也稱為一體式傳感器測(cè)溫。在這種一體式傳感器測(cè)溫中，熱電偶或熱敏感應(yīng)器置于質(zhì)子交換膜中間，并將二者壓制成一體置于燃料電池內(nèi)部。但在制作過(guò)程中熱電偶或熱敏感應(yīng)器極易損壞，因此導(dǎo)致了較大的實(shí)驗(yàn)誤差，除此之外安裝難度較大，對(duì)操作員的要求較高。近年來(lái)除了上述的一體式傳感器測(cè)溫方式外，光學(xué)傳感器技術(shù)也趨于成熟，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量程大、分辨率高、響應(yīng)時(shí)間短，且不受其他電磁場(chǎng)和電化學(xué)反應(yīng)的影響，但由于其操作復(fù)雜，傳感器放置到燃料電池內(nèi)部容易損壞等問(wèn)題，使得對(duì)燃料電池本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，使其不能按照正常狀態(tài)運(yùn)行。