一种燃料电池各层含水量在线监测方法

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种燃料电池各层含水量在线监测方法。

背景技术：

1、燃料电池的正常运行需要实时监测内部含水量，从而提升稳定性和可靠性。当前，评价质子交换膜燃料电池实时运行状态的指标主要是电压。维持燃料电池最优的水状态是保证输出性能和稳定运行的关键，目前常用电压巡检法间接反应内部水状态，但电压变化滞后于含水量变化，该法只能在判断到输出功率下降后才采取调控措施，花费代价较大，且恢复效果较差。

2、阻抗法可以确定含水量，但需要引入额外扰动且综合成本高。阻抗与燃料电池内部含水量相关，研究人员利用高频阻抗获得内阻或利用电化学阻抗谱的低频区获得传质损失。丰田公司应用交流阻抗技术检测内部含水量，一些机构还开发了与dc-dc控制器集成在一起的高频阻抗检测设备。阻抗法的缺点是引入了外部扰动，使检测设备技术复杂且价格昂贵(特别是多通道阻抗检测)，在线应用受到制约。

3、更重要地，燃料电池商业化过程中面临的低温快速启动问题、正常运行过程中的水淹问题等不仅需要监测电堆内部含水量，还需要准确识别催化层、质子交换膜、扩散层、气体流道等的各层含水量。催化层及质子交换膜含水量监测尤其重要，直接决定低温停机策略、低温启动策略、水淹恢复策略。遗憾的是，当前的阻抗监测一般只能定性判断电堆含水量，无法准确区分具体某一层的含水量。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池各层含水量在线监测方法，能够实时监测质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极扩散层、阴阳极气体流道不同层含水量的方法，为燃料电池运行管理策略提供技术支撑。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池各层含水量在线监测方法，包括：

3、采集燃料电池的初始实时数据；

4、将所述初始实时数据输入至状态模型，结合四阶龙格库塔法，对所述燃料电池各层含水量进行监测；其中，所述状态模型利用燃料电池各层产水与排水的平衡关系，结合电化学反应产水、菲克扩散、毛细压吸排水、流道出口排水进行构建。

5、可选的，所述初始实时数据包括：阴极进气流速、阳极进气流速、阴极排气流速、阳极排气流速和运行电流。

6、可选的，构建所述状态模型包括：

7、将燃料电池划分成预设层结构，并将所述预设层结构划分成预设层子结构；

8、基于所述预设层子结构，获取预设数量的参数；

9、基于所述预设数量的参数，结合燃料电池各层产水、排水、电化学反应产水、菲克扩散、毛细压吸排水和流道出口排水，构建所述预设数量的状态模型。

10、可选的，所述预设层结构包括：质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层、阳极扩散层、阴极气体流道和阳极气体流道。

11、可选的，所述预设数量的参数包括：质子交换膜含水量λmem、阴极催化层聚合物含水量λccl、阴极催化层水蒸气浓度cccl,v、阴极催化层液态水浓度cccl,l、阳极催化层聚合物含水量λacl、阳极催化层水蒸气浓度cacl,v、阳极催化层液态水浓度cacl,l、阴极扩散层水蒸气浓度ccgdl,v、阴极扩散层液态水浓度ccgdl,l、阳极扩散层水蒸气浓度cagdl,v、阳极扩散层液态水浓度cagdl,l、阴极气体流道水蒸气浓度ccgc,v、阴极气体流道液态水浓度ccgc,l、阳极气体流道水蒸气浓度cagc,v、阳极气体流道液态水浓度cagc,l。

12、可选的，所述状态模型包括：质子交换膜含水量子模型、阴极催化层聚合物含水量子模型、阴极催化层水蒸气浓度子模型、阴极催化层液态水浓度子模型、阳极催化层聚合物含水量子模型、阳极催化层水蒸气浓度子模型、阳极催化层液态水浓度子模型、阴极扩散层水蒸气浓度子模型、阴极扩散层液态水浓度子模型、阳极扩散层水蒸气浓度子模型、阳极扩散层液态水浓度子模型、阴极气体流道水蒸气浓度子模型、阴极气体流道液态水浓度子模型、阳极气体流道水蒸气浓度子模型、阳极气体流道液态水浓度子模型。

13、可选的，所述阴极催化层聚合物含水量子模型为：

14、

15、其中，λccl为阴极催化层聚合物含水量，t为时间，ew为质子交换膜当量，ρ为密度，mem为质子交换膜，l为厚度，ccl为阴极催化层，i为电流密度，f为法拉第常数，d为菲克扩散系数，m代表质子交换膜中传递的水，l为相邻两部件的平均厚度，sn,l为聚合物与催化层多孔介质液态水转换速率，sn,v为聚合物与催化层多孔介质气态水转换速率；

16、所述阴极催化层水蒸气浓度子模型为：

17、

18、其中，cccl,v为阴极催化层水蒸气浓度，v,eff表示水蒸气的有效扩散系数，cgdl表示阴极扩散层；

19、所述阴极催化层液态水浓度子模型为：

20、

21、其中，cccl,l为阴极催化层液态水浓度，ν为液态水的动力粘度，kc为渗透率，pc为组分的毛细压。

22、可选的，所述阳极催化层聚合物含水量子模型为：

23、

24、其中，λacl为阳极催化层聚合物含水量，t为时间，ew为质子交换膜当量，ρ为密度，mem为质子交换膜，l为厚度，acl为阳极催化层，i为电流密度，f为法拉第常数，d为菲克扩散系数，m代表质子交换膜中传递的水，l为相邻两部件的平均厚度，sn,l为聚合物与催化层多孔介质液态水转换速率，sn,v为聚合物与催化层多孔介质气态水转换速率；

25、所述阳极催化层水蒸气浓度子模型为：

26、

27、其中，cacl,v为阳极催化层水蒸气浓度，v,eff表示水蒸气的有效扩散系数，agdl表示阳极扩散层；

28、所述阳极催化层液态水浓度子模型为：

29、

30、其中，cacl,l为阳极催化层液态水浓度，ν为液态水的动力粘度，kc为渗透率，pc为组分的毛细压。

31、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

32、现有燃料电池堆实时监测方法都无法直接获得内部含水量，电压巡检法和阻抗法都只能间接反映含水量，本发明的先进性体现在不仅可以直接获得电堆内部含水量，还可以得到燃料电池各层的含水量。

33、现有技术获得燃料电池堆内部含水量较难且不完整的问题，本发明专利通过合理的传感器采集数据，采用先进的算法解决上述难题。

34、现有燃料电池堆的集总参数模型较为简单，求解所得的含水量参考度不高，本发明采用7层燃料电池模型，构建了15个状态随时间变化的集总参数模型，考虑了所有的水状态情况，所求结果参考度更佳。

技术特征：

1.一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述初始实时数据包括：阴极进气流速、阳极进气流速、阴极排气流速、阳极排气流速和运行电流。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，构建所述状态模型包括：

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述预设层结构包括：质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层、阳极扩散层、阴极气体流道和阳极气体流道。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述预设数量的参数包括：质子交换膜含水量λmem、阴极催化层聚合物含水量λccl、阴极催化层水蒸气浓度cccl,v、阴极催化层液态水浓度cccl,l、阳极催化层聚合物含水量λacl、阳极催化层水蒸气浓度cacl,v、阳极催化层液态水浓度cacl,l、阴极扩散层水蒸气浓度ccgdl,v、阴极扩散层液态水浓度ccgdl,l、阳极扩散层水蒸气浓度cagdl,v、阳极扩散层液态水浓度cagdl,l、阴极气体流道水蒸气浓度ccgc,v、阴极气体流道液态水浓度ccgc,l、阳极气体流道水蒸气浓度cagc,v、阳极气体流道液态水浓度cagc,l。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述状态模型包括：质子交换膜含水量子模型、阴极催化层聚合物含水量子模型、阴极催化层水蒸气浓度子模型、阴极催化层液态水浓度子模型、阳极催化层聚合物含水量子模型、阳极催化层水蒸气浓度子模型、阳极催化层液态水浓度子模型、阴极扩散层水蒸气浓度子模型、阴极扩散层液态水浓度子模型、阳极扩散层水蒸气浓度子模型、阳极扩散层液态水浓度子模型、阴极气体流道水蒸气浓度子模型、阴极气体流道液态水浓度子模型、阳极气体流道水蒸气浓度子模型、阳极气体流道液态水浓度子模型。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述阴极催化层聚合物含水量子模型为：

8.根据权利要求5所述的一种燃料电池各层含水量在线监测方法，其特征在于，所述阳极催化层聚合物含水量子模型为：

技术总结
本发明公开了一种燃料电池各层含水量在线监测方法，包括：采集燃料电池的初始实时数据；将所述初始实时数据输入至状态模型，结合四阶龙格库塔法，对所述燃料电池各层含水量进行监测；其中，所述状态模型利用燃料电池各层产水与排水的平衡关系，结合电化学反应产水、菲克扩散、毛细压吸排水、流道出口排水进行构建。本发明的先进性体现在不仅可以直接获得电堆内部含水量，还可以得到燃料电池各层的含水量。

技术研发人员：李跃华,杨帆
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7