一种PEM电堆运行状态监测方法及系统与流程
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种pem电堆运行状态监测方法及系统。
背景技术：
质子交换膜燃料电池作为一种新型能源发电装置，正快速走向市场化，然而仍然存在耐久性不够、成本过高等若干问题亟待解决。关键材料及零部件如催化剂、膜电极(membraneelectrodeassembly:mea)和双极板等是影响其基本电性能与耐久性的主要因素，人们因此投入了大量精力进行相关研究。pem电堆运行过程中因操作条件会出现水淹状态或者偏干状态，这些情况会对电堆内部的零部件造成一定程度的损害，因此本文对此提出了一种新的监测方法及系统来监测电堆的运行状态，并及时改善操作条件来优化电堆运行状态。
前期对流场板压降计算的相关问题进行了初步的探索，本文在此基础上，结合pem电池中阴阳极水的传输，考虑流道中混合气体粘度、密度等物性因素、双极板流道几何结构因素以及电池装夹因素的影响，建立流场板压降较全面的两相流计算模型，以期对pem电池的设计与运行管理具有参考意义。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种pem电堆运行状态监测方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种pem电堆运行状态监测系统，该系统包括pem电堆、流场板气体压力监测装置、计算机、电池内阻监测装置；其中：
pem电堆上设置有阴极流场板和单片电池阴阳极，流场板气体压力监测装置与pem电堆的阴极流场板的进出口相连，用于实时监测阴极流场板的进出口压差；
电池内阻监测装置与pem电堆中的单片电池阴阳极的两端分别相连，用于监测单片电池的内阻；
计算机与流场板气体压力监测装置、电池内阻监测装置均相连；在pem电堆的运行过程中，流场板气体压力监测装置和电池内阻监测装置将采集到的压差和内阻数据信号传送给计算机，计算机判定pem电堆的运行状态，包括正常、偏干、水淹；并通过反馈结果来调节操作条件以优化电堆的运行状况。
进一步地，本发明的流场板气体压力监测装置包括进出口压差传感器，用于监测阴极流场板的进出口压差。
进一步地，本发明的pem电堆上设置有冷却液进口、冷却液出口、氢气流道和空气流道。
进一步地，本发明的计算机判定pem电堆的运行状态时，当压降和内阻值均处于阈值范围内，判定为正常状态；当压降处于阈值范围内，而内阻值大于阈值范围的上限，判定为偏干状态；当压降大于阈值范围的上限，内阻值小于阈值范围的下限，判定为水淹状态。
本发明提供一种pem电堆运行状态监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、pem电堆运行过程中，通过流场板气体压力监测装置实时监测阴极流场板的进出口压差，通过电池内阻监测装置监测pem电堆的单片电池的内阻，并将采集到的监测数据发送给计算机；
步骤二、进行进出口压差的模拟计算：根据流道内气体和液态水的流速判断流道内的流态属于单相流还是多相流；如果流态属于多相流，进而判断其状态是雾状流、膜状流或者塞子流；雾状流的流态属于单相流，膜状流和塞子流属于分离流模型，根据对应的流体动力学模型计算得到压差；
步骤三、对混合气体的密度和粘度、流道结构引起局部压损以及装夹力引起流道截面积变化三种因素造成的影响进行修正；
步骤四、根据压差以及内阻值，并将模拟计算得到压差值与实验值作比较，来判定pem电堆运行过程中的运行状态，包括正常、偏干、水淹；当压降和内阻值均处于阈值范围内，判定为正常状态；当压降处于阈值范围内，而内阻值大于阈值范围的上限，判定为偏干状态；当压降大于阈值范围的上限，内阻值小于阈值范围的下限，判定为水淹状态；计算机将监测得到的结果反馈给测试系统，改变操作条件以优化pem电堆性能。
进一步地，本发明的步骤三中对混合气体的密度和粘度的影响进行修正的方法包括：
pem电堆运行时阴极流道中气体包括空气、水蒸气，阳极流道中包括氢气、水蒸气，其密度和粘度的物性按组份比例构成，因操作条件而变，因此影响流速及压降；考虑阴极侧空气流动，混合气体的密度和粘度通过以下公式计算：
其中：
混合气体粘度：
μda＝(17.2+4.81×10-2t-4×10-6t2)×10-6
μv＝(8.022+4.01×10-2t-8×10-7t2)×10-6
其中，pa为干空气的压力；t单位为k、t单位为℃均为混合气体的温度；psat为水蒸汽的饱和蒸汽压；pma为大气压，
进一步地，本发明的步骤三中对流道结构引起局部压损的影响进行修正的方法包括：
pem电堆流场流道内的局部压损以下式计算：
其中，v流道平均流速，ξ为该部分局部阻力系数。
进一步地，本发明的步骤三中对装夹力引起流道截面积变化的影响进行修正的方法包括：
pem电堆装后mea因受力不均而变形，mea侵入到流道中，减小流道截面，使流体流速增加，流阻增加，因装夹导致mea侵入流道使得有效截面积为ac’，则实际流速为：
其中，n为流道数；ρh2o为水的密度；ac’为流道截面面积，mh2o-liq流道中液态水量。
本发明产生的有益效果是：本发明的pem电堆运行状态监测方法及系统，相比现有技术对pem电池流场板流场压降的理论计算，几乎没有考虑两相流的因素，所以对压降的计算与实际结果相差甚远，本发明建立了流场板压降较全面的两相流计算模型，新的模型能够更准确预测电池运行正常状态、水淹状态和偏干状态，通过监测流场的进出口压降及内阻的变化，与理论中比较，可准确判断电堆内部运行状态。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的pem电堆运行状态监测系统示意图；
图2是本发明实施例的pem电堆运行状态监测方法流程图；
图3是本发明实施例的pemfc金属双极板空气流场图；
图中：1-pem电堆；2-流场板气体压力监测装置；3-计算机；4-电池内阻监测装置；5-冷却液进口；6-冷却液出口；7-氢气流道；8-空气流道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的pem电堆运行状态监测系统，包括测pem电堆、流场板气体压力监测器、电池内阻监测器、计算机等。pem电堆运行过程中，通过流场板气体压力监测器得到单片流场板的进口压差，同时通过电池内阻监测器采集单电池的内阻，将采集到的数据信号传送给计算机，然后计算机根据采集的压降以及内阻值大小来判定pem电堆运行过程中的运行状态(正常，偏干，水淹)，一般来说，正常状态下的压降和内阻值得大小适中，当电池内部处于偏干的状态时，压降接近于正常值，而内阻值会增大；当电池内部处于水掩状态时，其压降值会增大，而内阻会减小。这些状况都会对电池性能造成一定的影响。计算机将监测得到的结果反馈给测试系统，改变操作条件以优化电堆性能。
关于监测方法中压降的计算模型如图2所示。pem电池流场板的设计工况，主要考虑的是稳态运行额定工况下，因此加速引起的压降可忽略不计。对于重力引起的压降，假设其倾斜角为θ，则重力引起的压降也可以进行修正。pem燃料电池流道中两相流流态可以分为塞子流﹑膜状流和雾状流，主要受反应气体速度和液态水流速的影响。
反应气体速度主要由混合气体物性、流道结构以及电池装夹这三种因素影响：
(1)关于混合气体物性，pem电池运行时阴极流道中气体为空气、水蒸气等，阳极流道中为氢气、水蒸气等，其粘度等物性按组份比例构成，因操作条件而变，因此影响流速及压降；
pem电池运行时阴极流道中气体为空气、水蒸气等，阳极流道中为氢气、水蒸气等，其粘度等物性按组份比例构成，因操作条件而变，因此影响流速及压降。本文主要考虑阴极侧空气流动。混合气体的密度和粘度可用以下公式计算：
其中：
混合气体粘度：
μda＝(17.2+4.81×10-2t-4×10-6t2)×10-6[kg/(m·s)]
μv＝(8.022+4.01×10-2t-8×10-7t2)×10-6[kg/(m·s)]
其中，pa为干空气的压力；t单位为k、t单位为℃均为混合气体的温度；psat为水蒸汽的饱和蒸汽压；pma为大气压，
(2)关于流道结构，pem电池流场流道可能包括等截面直流段，它们引起沿程流阻，以及弯头、变截面处等，它们引起局部压损；
pem电池流场流道可能包括等截面直流段，它们引起沿程流阻，以及弯头、变截面处等，它们引起局部压损。为简化问题，pem电堆流场流道内的局部压损以下式计算：
其中，v流道平均流速，ξ为该部分局部阻力系数。
(3)关于电池装夹，电池组装后mea因受力不均而变形，mea侵入到流道中，减小流道截面，使流体流速增加，流阻可能显著增加。pem电堆装后mea因受力不均而变形，mea侵入到流道中，减小流道截面，使流体流速增加，流阻增加，因装夹导致mea侵入流道使得有效截面积为ac’，则实际流速为：
其中，n为流道数；ρh2o为水的密度；ac’为流道截面面积，mh2o-liq流道中液态水量。
实施例1二相流模型的验证
本发明实施例研发25kw金属板电堆，进行流场板设计。流场基本结构如图3所示，活性面积280cm2，流道深度0.4mm，宽度1mm，长度300mm；电池操作温度75℃，无背压。利用cfd软件进行了流场模拟仿真，得到了单相流压降值；利用前述模型，计算获得了若干工况下的流场压降；将10片金属板单电池组成短堆，在greenlightg500上进行实验，获得了流场压降实测值，汇总如表1所示。
表125kw电堆流场板流阻模拟-测试数据对比
本发明实施例为某公司电堆研发进行流场板辅助设计，先期组装了5kw电堆进行基本性能测试，获得的流场压降实测值，以及模型计算值汇总如表2所示。
表25kw电堆流场板流阻模拟-测试数据对比
表1和表2数据显示，以单相流的空气计算得到的压降与实测值相差较多，误差较大；利用适当的模型计算，经过修正之后得到的流场板压降，与实测值比较接近。实际电堆运行过程中影响因素极其复杂，可能造成流道堵水，实测压降值有波动，这也使得流场板设计过程中压降的准确计算非常困难。以本文所建立的模型进行怠速、额定等确定的工况下的流场压降计算，在工程应用中是可行的。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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