[发明专利]一种燃料电池的含水量控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池的含水量控制方法 。

背景技术：

近年来随着化石能源 ( 即煤、石油、天然气 ) 的不断消耗，社会如今正在遭受能源短缺的困境。并且，化石燃料在提取、运输、使用过程中也导致了诸多的环境问题。尤其是在使用化石燃料获取能量时产生的副产物会导致全球变暖、造成极为严重的大气污染。在所有化石燃料的替代选择中，由于燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点使其成为最具有发展前景一种供能方式。而质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ，PEMFC)具有功率密度高、无污染、低温启动等优点，特别适用于人们日常生活中，有着光 明的市场应用前景。

在实际中， PEMFC 输出性能受操作条件 ( 温度、湿度等 ) 影响较大， PEMFC 堆内含水量变化难以准确监控。为了使PEMFC 发电性能保持在最优的输出状态，使 PEMFC 发电性能良好，需维持 PEMFC单元内含水量处于合理范围之内，即 PEMFC 内不发生膜干或水淹现象。目前，由于质子交换膜厚度只有微米级、燃料电池在工作过程中需要保证结构的完整性和封闭性，这使得难以利用传感器对 PEMFC 含水量实现实时测量控制，同时目前基于影像学及湿度传感器对燃料电池内部膜含水量监控的经济成本和技术成本均十分高昂，并且由于PEMFC 在工作过程中会生成水，随着工作温度的变化，燃料电池内部水会发生气液两相之间的转化，这对于湿度传感器的检测会产生很大的影响。由于加湿气与 PEMFC 之间存在温差，导致了额外的液态水在 PEMFC 内部中凝结。因此，输入气体经过 PEMFC 内部后，输出气体湿度非常大，甚至饱和，这使得测量出气口气体相对湿度来判断电堆水内部状态不准确也不有效，不利于实时的控制，及对输出性能优化。 。

电化学阻抗谱法 (Electrochemical Imepdance Spetroscopy ， EIS) 也称为交流阻抗谱法，是高频阻抗法的升级，其将单一频率的高频交流激励信号改为一系列从高频到低频的交流信号。 EIS 法不仅能测出燃料电池的阻抗值，还可以测出其它特性的阻抗信息，根据 PEMFC 工作原理，建立如图 4 所示等效电路模型，基于 PEMFC 含水量与膜电阻 R_m 的数学关系模型将 PEMFC 含水量控制在适宜范围。由于其利用扫频的方式，因此可以获得在该电势下的随频率变化的燃料电池阻抗谱信息。该方法含有很多的低频信号，使得测试的时间很长，阻抗参数拟合繁琐，但由于其几乎能包括燃料电池稳定状态下所有状态信息，因此 EIS 法也越来越受到燃料电池研究者们的青睐。 。

目前最常用的 PEMFC 含水量监控方法是基于对 PEMFC 单元内含水量的软测量。 PEMFC 含水量的软测量是通过采集控制过程中相对容易测量的辅助变量 ( 也称二次变量 ) ，通过构建推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量影响。估计器的设计是根据 PEMFC 含水量与辅助变量之间的最优准则，选择一组既与主导变量有密切关系，又容易测量的辅助变量，通过构造某种数学模型，实现对主导变量的在线估计。由于测量辅助变量过程中会产 生误差，会导致PEMFC含水量软测量结果不精确。且PEMFC含水量的软测量结果是基于对辅助变量的测量，这并不能真实反映PEMFC内部含水量的情况。例如：中国发明专利(申请号为200980160931.5)燃料电池的含水量控制方法以及燃料电池系统，提出了利用多组湿度传感器检测PEMFC电极表面内的各位置的含水状态，调整向PEMFC阳极侧供给氢气的流量和压力，使得PEMFC内的含水量成为目标含水量。中国发明专利(申请号为CN201310674719.9)一种燃料电池闭环控制方法，提出了根据燃料电池的阳极气体压力降的理论计算值，设定保证燃料电池含水量状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超出此控制区间时通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区，从而保证燃料电池处于良好的水管理状态。

现有PEMFC的含水量控制与测量方法可以较好的将PEMFC的含水量控制在较好的水管理状态，与传统利用湿度传感器测量PEMFC流场板或尾气湿度相比，准确度有一定的提高。但是，选取的辅助变量大部分为PEMFC的外部性状并不能真实反映PEMFC内部真实湿度状态，而PEMFC反应生成的水会影响PEMFC的含水量。并且，辅助变量的测量精确度、建模的准确性均会影响对PEMFC含水量的控制。

发明内容：