一种燃料电池的含水量控制方法及系统的制作方法
【技术领域】：
[0001 ] 本发明涉及一种燃料电池的含水量控制方法及运用该方法的系统。
【背景技术】：
[0002] 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 Cel I，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。
[0003] 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。
[0004] 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 ni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。
[0005] 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) -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。
[0006] 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】
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[0007] 在实际测量控制过程中，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。并且，大部分选取的辅助变量是PEMFC的外部性状，并不能真实反映 PEMFC 内部真实湿度状态。而传统EIS法测量时间过长，并不适用于PEMFC含水量的实时控制。
[0008] 本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃 料电池的含水量控制及测试系统及方法，该系统及方法能够恰当地调整燃料电池的单元内 的含水量，并缩短燃料电池的含水量控制的响应时间。
[0009] 为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池的含水量控制方法包括以下步骤：
[0010] 本文提供一种PEMFC含水量控制方法，其特征是针对任意一种运行状态下的 PEMFC，引入阻抗正割角α，基于图4所示PEMFC等效电路，根据PEMFC最佳操作条件下阻抗 谱曲线，计算得到阻抗曲线与实轴交点高频频率及高频转折频率：、f 2。给PEMFC施加频率 分别为f\、f2的交流正弦信号U r U2。分别采集得到PEMFC的响应信号I2。由此求解得 到对应频率A、&的PEMFC阻抗分别为Z p Z2。从而计算得到图5所示@与实轴夹角α 的大小。基于阻抗正割角α的检测信息，湿度控制器产生控制信号，经驱动电路放大后输 出至加湿装置的控制端，调整向PEMFC电极进气加湿度使得满足预设条件，达到控制PEMFC 的含水量在适宜范围的目的。该方法不仅减小了扫频范围，还缩短了采样时间，并且根据阻 抗测量得到的α角能真实反映 PEMFC内部的真实状态。所述的PEMFC含水量控制方法包 括以下步骤：
[0011] 步骤一 =PEMFC在工作过程中，其理想输出应为电化学电动势，由于存在不可逆损 失，电池输出电压会随之下降。实际上，燃料电池的不可逆电压损失就是极化过电压，主要 由活化极化作用、欧姆极化作用和浓差极化作用引起。由此得到图3所示PEMFC等效电路， 其中R n为膜阻抗、Ra为极化阻抗、Rf为扩散阻抗、Cdl为等效电容、R wd为外部负载。基于最 佳操作条件下PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路，确定高频信号频率f\、f2。为阻抗谱与实 轴的交点所对应的频率，且A多20kHz ;根据式（1)计算得到PEMFC高频转折频率f2:
[0013] 步骤二：给PEMFC分别施加高频交流正弦电信号Up U2:
[0014] U (ω j) = U〇sin (ω jt) (2)
[0015] U (ω 2) = Unsin (ω ^t)(3)
为交流正弦信号幅值。
[0017] 利用采样电路采集PEMFC的响应信号I1、I2:
[0018] I (ω j) = I0sin (ω jt+ θ ) (4)
[0019] Ι(ω2) = I0sin(ω2t+θ ) (5)
[0020] 其中：1。为响应信号幅值，θ为响应信号相位角。
[0021] 由此计算得到PEMFC对应频率的阻抗Z2为：
[0029] 图4所示为在阻抗坐标轴上得到Ζ(ωι)、Ζ(ω2)及@与实轴夹角α :
[0030]
[0031] 因此，该α是一个与R"、Ra相关的一个值，而R，Ra的值与电堆内部反应环境息 息相关，是随着电堆内部的温湿度环境变化而不断变化的值，所以角度的不断变化可以时 时反应燃料电池堆内部电堆内部的温湿度情况。
[0032] 步骤三：数据采集系统将采集得到的阻抗正割角α的信息发送至湿度控制器，得 到与预设最优阻抗正割角α的偏差Δ α，当Δ α辛〇时，则产生控制信号，然后将