[发明专利]一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置

说明书

本发明提供一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置，属于燃料电池和电解制氢技术领域，通过电子负载向电堆施加频率为f的交流电流扰动量，实时采集电堆的交流扰动电流和响应电压，计算频率f下实时的阻抗相位角θ，进而判断电堆当前的膜含水量，再根据电堆当前的不同状态，实时更新控制气体供给和运行温度。本发明利用单频阻抗法实时测量质子交换膜电堆固定频点的交流阻抗，迅速、准确、有效地反映电堆内部运行状况，并以此调节进气量、进气湿度和电堆运行温度以实现在线闭环水管理，提高运行的可靠性和耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池和电解制氢技术领域，具体涉及一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置。

背景技术

目前，能源危机和环境污染问题日益严重，由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)高效率、低污染、无噪音的特性，这种将氢和氧的化学能转换为电能的化学装置受到世界各国普遍重视。近二十年来，燃料电池在性能、成本和耐久性方面取得了很大的科研进展，已逐步应用于航天、船舶、汽车、备用电源等领域。

质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料、氧气为氧化剂的电化学发电装置。燃料电池中唯一的反应产物水在阴极由氢气和氧气在催化剂的作用下发生化学反应生成。为保证输出性能、稳定性和使用寿命，在电堆运行过程中，质子交换膜需要保持在合适的湿度水平。质子交换膜的湿度主要受阳极侧和阴极侧入口气体湿度、堆内气体流速、电堆运行温度及电堆产水量的影响。运行管理策略不良导致的膜干和水淹现象会引起电堆性能下降，稳定性和电堆寿命急剧衰减。当质子交换膜过干时，其质子传导性降低，欧姆损耗增加，电堆输出电压性能下降。长期膜干将导致质子交换膜产生局部热点穿孔、性能退化等不可逆的损坏。当堆内湿度过高时，液态水在电堆催化层、气体扩散层以及流道内聚集，造成孔隙率减小、电极表面堵塞和反应气体传输受阻的问题，产生水淹故障。水淹故障一方面引起反应面积减少，使电堆输出性能下降，另一方面引起局部缺气，电池电压反极，对膜电极组件产生不可逆的伤害。受环境温湿度和电堆操作条件的影响，电堆非常容易发生膜干和水淹故障。当环境干燥且电堆产水量少(运行在低电流密度)时，容易发生膜干故障；当环境湿润且电堆产水量多(运行在高电流密度)，或氢循环回路的气水分离能力不够时，容易发生水淹故障。目前，行业应用仍缺乏对膜含水量的直接探测手段，只能通过外在的特性去估计其内部的含水状态，存在结果不准确或状态误判引起的进一步恶化等缺陷。

燃料电池内部复杂的物理和电化学过程使其在稳态和瞬态工况下的内部状态难以直接探测，而电堆内的水状态对燃料电池的长期稳定运行至关重要，因此需要寻找一种更便捷、可靠、精确的膜含水量辨识方法。电化学阻抗谱能全面反映与膜含水量相关的电化学反应过程以及物质传输，被学者们深入研究并应用。该方法具体为：对电极施加宽频率范围的小幅电流或电压扰动，测量其电压或电流响应，对同频扰动信号和响应信号的幅值和相位进行运算处理，获得该频率范围内的交流阻抗信息。电化学阻抗谱常用Nyquist(奈奎斯特)图(通常结合等效电路拟合模型)直观获得反映电堆内部与含水量紧密相关的欧姆传导过程、反应动力学和质量传输的信息。然而，电化学阻抗谱存在检测时间长、对实际运行干扰大、对运算控制器算力要求高等缺陷，难以在实际的系统上实施。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置，利用单频阻抗法实时测量质子交换膜电堆固定频点的交流阻抗，并以阻抗相位信息作为反馈量对电堆气体供给和电堆运行温度进行调控，进而实现质子交换膜电堆的在线闭环水管理。

本发明具体技术方案如下：

一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在质子交换膜电堆稳态运行直流电流I条件下，通过电子负载向电堆施加频率为f的交流电流扰动量I₀×sin(2πft)；其中，I₀为交流扰动信号幅值；

步骤2：实时采集电堆的交流扰动电流和响应电压，计算得到频率f下实时的阻抗相位角θ；