一种电池堆的水含量控制方法与流程

本发明涉及燃料电池控制，具体而言，涉及一种电池堆的水含量控制方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。电池堆主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由电池堆的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻，电池堆还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

2、目前使用较为广泛的是氢氧燃料电池，其不产生任何污染物质，且生成的物质为水环保且高效。但由于生成物是水，水过多过少都会对电池堆的性能产生很大的影响，尤其是反应膜上水含量的多少很大程度上决定了电池堆的运行状况。当下也有许多针对氢氧电池堆进行水含量控制的方法，一方面大部分是针对关机和开机是进行的控制，另一方面在运行过程中的水含量控制还不能做到实时准确的实现精确调控。

3、因此，设计一种电池堆的水含量控制方法，通过实时获取氢氧电池堆的运行状态数据来实现对水含量的准确精准的调控，以保持电池堆的高效的运行状态，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电池堆的水含量控制方法，通过获取同类型氢氧燃料电池的电池堆运行温度数据来建立合理的电池水含量控制参考基础数据，进而在进行实时水含量数据分析时提供可靠的对比偏离分析数据，更加合理且准确的确定实际运行时电池堆的水含量偏离状态，为采取合理的水含量调整控制提供了精确的数据依据。同时，在对电池堆进行实时水含量的数据分析时，考虑利用氢氧反应的化学状态入手结合反应时电子流动产生的电流更加精确的确定出反应所产生的水量，进而综合外部环境温度和空气湿度来确定水含量的实时变化情况，实现对水含量的精确确定，大大提高了对电池堆实时水含量确定的精度和准确度。为后续进行偏离分析和控制调整的处理提供了重要且准确的数据基础。

2、第一方面，本发明提供一种电池堆的水含量控制方法，包括获取与目标电池堆同类型的燃料电池的电池堆运行温度对应的第一水含量数据和电池堆使用寿命对应的第二水含量数据，通过第一水含量数据和第二水含量数据形成水含量控制数据；在监测控制周期内采集目标电池堆的电流数据，并进行反应生成水的重量确定，形成反应水重量数据；获取环境温度数据和目标电池堆在监测控制周期内的进出口空气湿度数据，并确定水含量变化数据；获取目标电池堆的反应温度数据，根据反应水重量数据和水含量变化数据，并结合电池水含量控制数据，进行水含量偏离分析，形成水含量偏离分析结果数据；根据水含量偏离分析结果数据，进行偏离控制分析，形成偏离控制分析结果数据。

3、在本发明中，该方法通过获取同类型氢氧燃料电池的电池堆运行温度数据来建立合理的电池水含量控制参考基础数据，进而在进行实时水含量数据分析时提供可靠的对比偏离分析数据，更加合理且准确的确定实际运行时电池堆的水含量偏离状态，为采取合理的水含量调整控制提供了精确的数据依据。同时，在对电池堆进行实时水含量的数据分析时，考虑利用氢氧反应的化学状态入手结合反应时电子流动产生的电流更加精确的确定出反应所产生的水量，进而综合外部环境温度和空气湿度来确定水含量的实时变化情况，实现对水含量的精确确定，大大提高了对电池堆实时水含量确定的精度和准确度。为后续进行偏离分析和控制调整的处理提供了重要且准确的数据基础。

4、作为一种可能的实现方式，包括获取与目标电池堆同类型的燃料电池的电池堆运行温度对应的第一水含量数据和电池堆使用寿命对应的第二水含量数据，通过第一水含量数据和第二水含量数据形成水含量控制数据，包括：获取与目标电池堆同类型的燃料电池的电池堆在不同运行温度sopr下对应的正常水含量范围，形成运行温度-水含量关系数据，第一水含量数据为温度-水含量关系数据；获取与目标电池堆同类型的燃料电池的电池堆在不同使用寿命luse下对应的正常水含量范围，形成使用寿命-水含量关系数据，第二水含量数据为使用寿命-水含量关系数据；结合运行温度-水含量关系数据和使用寿命-水含量关系数据，形成使用寿命-运行温度-水含量对应控制关系数据：(sopr，luse)~rw，rw表示使用寿命-运行温度-水含量对应控制关系数据中的水含量；水含量控制数据为使用寿命-运行温度-水含量对应控制关系数据。

5、在本发明中，电池堆需要保证一定的水含量才能有效的降低阻值，进而一定程度的提高反应的状况。而决定电池堆水含量的多少，主要影响因素来自电池堆内的温度情况和电池堆的使用寿命。温度决定了空气的湿度，进而起到限定电池堆中水蒸气含量的作用，进而促进或者降低反应产生的水的移动，使得电池堆内部的水含量发生相对较大的变化。电池堆在不同的使用寿命阶段，由于性能会随着使用的时间而逐步下降，从反应上和最佳工作状态下的水含量都会有较大的变化，如果进按照刚生产处的电池堆状态来确定水含量会造成对水含量状态计算的较大误差。因此，在获得基于同类型电池堆的水含量大数据时，重点考虑电池堆内部的温度变化和电池堆的使用寿命对电池堆中水含量的影响。需要说明的是，一方面在获得单独的温度相对燃料电池的水含量变化数据以及使用寿命相对电池堆的水含量变化数据时，可能分别对应的水含量范围是一个较宽的范围，在将基于两种因素对水含量影响的数据整合成一个整体的寿命-运行温度-水含量对应控制关系数据后可以根据需要对相应的水含量范围进行调整，尤其是缩小，可以提高后续分析的准确度；另一方面，电池堆内部存在电池堆的反应区域的温度和反应区域外注入反应交换膜等的温度，而为了提高对于水含量分析的准确度，所确定的运行温度是以需要保存水的反应膜作为对象考察的温度。

6、作为一种可能的实现方式，在监测控制周期内采集目标电池堆的电流数据，并进行反应生成水的重量确定，形成反应水重量数据，包括：确定监测控制周期tmon，在监测控制周期tmon内获取目标电池堆产生的有效电流ival；根据有效电流ival确定在监测控制周期tmon内目标电池堆实际产生的电荷量qpro；根据电荷量qpro，结合目标电池堆的化学反应性质，确定目标电池堆在监测控制周期tmon内的反应水重量wche。

7、在本发明中，可以理解的是，对于监测控制周期来说可以根据需要进行设定，周期时间越短，所获得的数据就越接近实时数据，可以进一步提高分析的准确度。在进行实时水含量的数据获取时，采用了基于电池堆形成的供应电流来确定电荷量，进而根据氢氧反应化学式来确定出形成的水量，进而获取在周期内电池堆反应产生的水量，这样分析相比进行湿度、电阻等方式间接获取的方式更加简单且精确。

8、作为一种可能的实现方式，根据有效电流ival确定在监测控制周期tmon内目标电池堆实际产生的电荷量qpro，包括：根据有效电流ival、监测控制周期tmon，并结合下式确定电荷量qpro：，其中，为目标电池堆反应产生的电流在传输上的能量损耗率，t∈[0，tmon]。

9、在本发明中，可以理解，电流是电荷量相对时间的微分，因而通过在时间周期内确定实际的有效电流来进行基于时间的积分可以准确确定周期内形成的有效电荷量。这里，考虑电池堆在反应生成电子后，电子在运输产生电流的过程中会有损耗，且这种损耗基本适合电池堆的电路部分相联系，属于稳定的参数，可以通过对电池堆电学数据的大数据分析来确定。这样，在利用有效电流确定电荷量时就充分考虑了反应后发生能量耗散的部分，而这部分也同样引起了水的产生，考虑这部分电荷使得数据更加精确。

10、作为一种可能的实现方式，根据电荷量qpro，结合目标电池堆的化学反应性质，确定目标电池堆在监测控制周期tmon内的反应水重量wche，包括：结合电荷量qpro，并根据下式确定目标电池堆在监测控制周期tmon内反应形成的水分子摩尔量n：，其中，f为法拉第常数，通常取96485 c/mol；根据水分子摩尔量n，并结合下式确定反应水重量wche：，其中，w0表示水分子的分子量。

11、在本发明中，在根据电荷量确定水分子量的过程中，需要理解的是，氢氧燃料电池的氢氧反应生成每个水分子的过程中发生了两个电子的移动，因而根据转移电子的数量与对应生成水分子的数量可以准确的确定电荷量。进而再根据水分子的分子量确定出周期内所实际产生水的重量。

12、作为一种可能的实现方式，获取环境温度数据和目标电池堆在监测控制周期内的进出口空气湿度数据，并确定水含量变化数据，包括：确定监测控制周期tmon内目标电池堆的平均环境温度senv，并确定在平均环境温度senv下空气的饱和湿度hfull；获取目标电池堆空气进口的相对湿度hin和空气出口的相对湿度hout，结合饱和湿度hfull，并根据下式确定水含量变化值wvar：。

13、在本发明中，当然，在电池堆发生氢氧反应生成水后，由于空气原料的供应，会在空气经过电池堆内部后被排出，而这样就需要考虑空气的经过是否带走了还是增加了电池堆中的水含量。通过对空气进口和出口处分别的湿度测量就能够确定电池堆水含量的变化情况。考虑在出口处和进口处所测得的湿度为相对湿度，因此，在确定监测控制周期下对应的空气饱和湿度后，就可以确定出实际空气流动度水含量的影响度。这里相对湿度和饱和湿度的单位均是以重量计，以方便进行水含量的计算。

14、作为一种可能的实现方式，获取目标电池堆的反应温度数据，根据反应水重量数据和水含量变化数据，并结合电池水含量控制数据，进行水含量偏离分析，形成水含量偏离分析结果数据，包括：获取水含量变化值wvar和反应水重量wche，确定目标电池堆内的实时水含量wcur，其中，wcur=wvar+wche；获取目标电池堆在监测控制周期tmon内的平均反应温度sres，并根据平均环境温度senv，确定在监测控制周期tmon内的实时运行温度scur；根据监测控制周期tmon相对目标电池堆寿命的阶段，确定监测控制周期tmon下对应的目标电池堆的实时使用寿命lcur；根据实时运行温度scur和实时使用寿命lcur，并结合寿命-运行温度-水含量对应控制关系数据，确定实时正常水含量rcur；对比实时正常水含量rcur和实时水含量wcur，确定实时水含量偏离率p，并根据实时水含量偏离率p形成水含量偏离分析结果数据。

15、在本发明中，可以理解，在获取同类型电池堆的水含量相对使用寿命和运行温度的基础数据有，实时所获取的电池堆的水含量数据便具有了基本的可靠的参考基础。因而，通过实时获取的水含量数据与基础理论数据进行对比就能够高效快速的确定监测控制周期内电池堆中的水含量情况，也是为后续针对不同的水含量情况进行调控提供数据基础。

16、作为一种可能的实现方式，获取目标电池堆在监测控制周期tmon内的平均反应温度sres，并根据平均环境温度senv，确定在监测控制周期tmon内的实时运行温度scur，包括：根据平均环境温度senv和平均反应温度sres，并结合下式确定实时运行温度scur：，其中，表示目标电池堆的热传导率。

17、在本发明中，实时获取的温度实质上是反应温度，而运行温度也要充分考虑外部环境温度的情况，毕竟燃料电池内部的反应其原料等方面与外部环境的联系性还是比较紧密的。这里引入热传导率，旨在确定内外具有环境差的温度在燃料电池的设备上进行温度扩展最终到达内部与反应温度综合形成运行温度的准确数据，进一步提高水含量控制的数据准确度。

18、作为一种可能的实现方式，对比实时正常水含量rcur和实时水含量wcur，确定实时水含量偏离率p，并根据实时水含量偏离率p形成水含量偏离分析结果数据，包括：设定下偏离阈值和上偏离阈值，根据实时正常水含量rcur和实时水含量wcur，进行以下偏离分析判断：当，且时：若，则确定在监测控制周期tmon内目标电池堆处于低湿度状态；若，则确定在监测控制周期tmon内目标电池堆处于下偏离正常湿度状态；当，且时：若，则确定在监测控制周期tmon内目标电池堆处于过湿度状态；若，则确定在监测控制周期tmon内目标电池堆处于上偏离正常湿度状态；当时，确定在监测控制周期tmon内目标电池堆处于正常运行状态；其中，表示实时正常水含量rcur的下边界值，表示实时正常水含量rcur的上边界值，。

19、在本发明中，这里考虑不同的电池堆由于容量等方面的不同，如果直接将实际的水含量与正常范围进行对比来确定电池堆水含量的状态，难免会因为这些不同的方面造成了不一样的结果。所以在进行水含量的确定前对所有的水含量数据按照相对正常范围的平均值来进行评价，即确定了水含量的具体偏离量，也保证了对比的可信性，毕竟相对以边界值作为偏差度分析的基础数据，平均值作为基础数据置信度会大大提高。

20、作为一种可能的实现方式，根据水含量偏离分析结果数据，进行偏离控制分析，形成偏离控制分析结果数据，包括：电池堆处于低湿度状态时，形成增湿调控信息；电池堆处于过湿度状态时，形成降湿调控信息。

21、在本发明中，对于处于低湿度的状态，即是水含量不够，可以控制鼓风机增加空气湿度来改变燃料电池内部水含量缺少的情况。同样地，对于处于过湿度的状态，即水含量较多，可以通过控制对空气去水汽等方式来实现调控。

22、本发明提供的一种电池堆的水含量控制方法的有益效果有：

23、该方法通过获取同类型氢氧燃料电池的电池堆运行温度数据来建立合理的电池水含量控制参考基础数据，进而在进行实时水含量数据分析时提供可靠的对比偏离分析数据，更加合理且准确的确定实际运行时电池堆的水含量偏离状态，为采取合理的水含量调整控制提供了精确的数据依据。同时，在对电池堆进行实时水含量的数据分析时，考虑利用氢氧反应的化学状态入手结合反应时电子流动产生的电流更加精确的确定出反应所产生的水量，进而综合外部环境温度和空气湿度来确定水含量的实时变化情况，实现对水含量的精确确定，大大提高了对电池堆实时水含量确定的精度和准确度。为后续进行偏离分析和控制调整的处理提供了重要且准确的数据基础。