一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统的制作方法
【技术领域】：
[0001 ]本发明设及一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统。
【背景技术】：
[0002] 能源是社会和经济的命脉。近年来，随着世界经济的快速发展，能源消耗日益增 加，传统的能源资源日益减少，能源价格不断创出历史新高。同时，经济的快速发展也带来 了严重的环境问题，利用清洁能源和可再生能源已成为世界能源发展的必然趋势。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的一种清洁能源。质子 交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为燃料电池的一种，具 有运行溫度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好W及使用纯氨气时不会造成环境污 染等优点，有着光明的市场应用前景。
[0003] PEMFC的输出主要有活化损失、欧姆损失和浓差损失。按照=种损失在不同的工作 阶段所占比重的大小，对应着将整个PEMFC系统的V-I输出特性曲线分成了S段，即活化段 I、欧姆段II和浓差段IIK如附图2所示）。"水淹"和"膜干"是当前影响质子交换膜燃料电池 系统工作性能和可靠性的突出问题，燃料电池长时间工作在活化段I，很容易失水导致阳极 "膜干"。燃料电池长时间工作在浓差段III，很容易导致阴极"水淹"。而燃料电池工作在欧 姆段，不仅工作稳定，而且电压损耗低，发电效率高。经实验研究，厂家给定的PEMFC输出功 率适宜范围均在欧姆段。本文主要目的是控制PEMFC工作在欧姆段，有效地降低了质子交换 膜的水淹和膜干的可能性。
【发明内容】
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[0004] 本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于简化现有的复杂控制策略，提出一种能 使燃料电池工作在欧姆段的准确控制方法，该控制方法能够根据当前的输出状态及时地调 整燃料电池单元内的含水量及电堆的溫度等操作条件，从而使得燃料电池工作在一个稳 定、安全的状态。
[0005] 如附图2所示为质子交换膜燃料电池的理想V-I特性曲线。活化段I和浓差段HI运 两条曲线的斜率的大小要远大于欧姆段(近似直线）的斜率的大小，而且活化段I和浓差段 III运两条曲线的斜率相差不大。基于运个普遍的规律，本发明提出，通过控制PEMFC输出的 V-I特性曲线的斜率大小来实现对燃料电池的准确控制，即在PEMFC启动之前，通过给电堆 预先升溫来提高它的电化学反应速率，使其在启动初期快速达到欧姆段;在PEMFC工作一段 时间后，实时监测PEMFC的工作状态，并控制其工作在欧姆段。
[0006] 为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池状态监测方法及系统包括W下步骤： 步骤一:给电堆预热。
[0007] 在启动PEMFC之前，通过水循环系统将电堆溫度升高至最佳工作溫度值。
[000引步骤二:计算V-I特性曲线在不同电流密度下的斜率k大小并确定PEMFC工作状态。 [0009] 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。其输出电压可表示为：
[0010] U = E〇c-a-bln(i)-i ? r-m ? e(ni) (I)
[00川其中，日=-1^/日11本*111(1日)为常数，与交换电流密度1日、电荷转移系数日^及每摩尔 反应物的交换质子数no有关。b = RT/anoF为hf e 1斜率。普适气体常数R = 8.314J/K ? mo 1。法 拉第常数F = 96486C/mol J为单位面积欧姆内阻。i为电流密度，imax = 1.2A ? CHf2em、n为拟 合常数。
[0012] 对U求导数得出斜率k:
(2)
[0014]求出理想V-I特性曲线的拐点：
[001引对斜率k求导数，得：
(3)
[0016]令 k/=0 得到拐点 Q(iQ，UQ)。
[0017]如附图2所示，连接Q点和理想V-I特性曲线与两坐标轴的交点，得至顺条线段，分 别求理想V-I特性曲线到两条线段距离最远的点，得到理想V-I特性曲线的分段点ial和ibl。 从而确定阳MFC的工作区间(0，ial)，（ial，ibl)和（ibl，imax)，运S个区间分别对应活化段、欧 姆段和浓差段。
[001引根据当前输出电流大小及斜率值确定PEMFC工作状态：由几何知识可知拐点Q必在 欧姆段上，则WQ点的斜率ko为基准值，测得当前V-I输出特性曲线斜率ki，求出A k= I ko-ki 。如附图4为燃料电池在最佳溫度t = 60°C时的k-i仿真曲线，根据导出数据可知，在电流密 度i E (ial，ibl)，任意两点间A k的大小严格遵守A k。。则根据A k和当前电流密度ii的范 围，确定W下判断标准：
[0019] (1)0< Ak<l，则燃料电池工作在欧姆段；
[0020] (2) Ak>l，则燃料电池工作在活化段或者浓差段，继续做如下判断：
[0021] ①如果he (0, ial)，贝IJPEMFC工作在活化段；
[0022] ②如果il e (ibi，imax)，则PEMFC工作在浓差段。
[0023] 步骤针对不同的工作段制定相应的控制策略。
[0024] 数据采集系统将采集得到的斜率k和电流密度i的信息发送至系统控制器，控制器 计算得到斜率k与预设斜率基准值ko的偏差A k。
[002引（1)当0含Ak。时，说明当前PEMFC工作在欧姆段，系统稳定。
[0026] (2)当Ak>l时，则分情况产生相应的控制信号：
[0027] ①若PEMFC工作在活化段，此时燃料电池电化学反应速率较慢，可W通过施加控制 信号来增加 PEMFC电堆的溫度，同时增加电堆反应气体入口压力W及控制氨气和空气的计 量比。使得A k减小，直至0含A k含1，燃料电池工作在欧姆段；
[0028] ②若PEMFC工作在浓差段，此时PEMFC系统输出的电流密度较大，反应速率较快，溫 度很高，阴极生成大量的水。应该通过控制水循环系统来降低电堆的溫度，减小排水口的排 水周期，增加出气口的开度。使得A k减小，直至0 < A k < 1，燃料电池恢复到欧姆段。
[0029] 本发明所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、氨气供气管路系统、空气供气管路 系统、水循环系统、尾气排放系统、阻抗测试系统、安全监测系统和检测控制系统；
[0030] 燃料电池电堆作为电力产生的核屯、部件，包括一个氨气进气口 1、一个空气进气口 2、一个水循环进水口 3、一个尾气排放口 4、一个水循环出水口 5、一个电压检测口 6、一个溫 度检测口 7。其中电压检测口 6放置一个电压变送器，溫度检测口 7放置一个溫度传感器b。
[0031] 氨气供气管路系统从左到右包括氨气瓶、减压阀、电磁阀a、电磁流量计a、增湿器 a。其中氨气瓶的输出端接减压阀，减压阀输出端接电磁阀a输入端，电磁阀a输出端接电磁 流量计a输入端，电磁流量计a输出端接增湿器a的输入端，增湿器a的输出端接电堆的氨气 进气口 1。氨气供气管路系统主要为电堆提供氨气，通过减压阀可W调节氨气的压力，通过 控制器输出控制信号来调节电磁阀a和电磁流量计a,从而控制进入电堆氨气的流量。
[0032] 空气供气管路系统从左到右包括空气压缩机、电磁阀b、电磁流量计b、增湿器b。其 中空气压缩机的输出端接电磁阀b输入端，电磁阀b输