[发明专利]燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质

权利要求书

1.一种燃料电池水含量估计方法，其特征在于，

S100，获取燃料电池的高频阻抗以及燃料电池的进气条件和排气条件，所述高频阻抗的频率范围在320Hz～1kHz；所述进气条件包括燃料电池的进气温度、进气湿度、进气压力和进气流量；所述排气条件包括排气温度和排气压力；

S200，根据所述高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量，估计所述燃料电池膜电极平均水含量的具体步骤包括：

S210，根据所述高频阻抗减去固定电阻R₀，得到膜电极阻抗R；

S220，利用所述膜电极阻抗的计算公式R＝L_PEM/(S*σ)，计算得到膜内平均质子传导电导率σ，L_PEM表示膜厚度，S表示面积；

S230，根据所述膜内平均质子传导电导率σ和平均水含量的关系，计算得到所述燃料电池膜电极平均水含量λ；

S240，得到所述燃料电池膜电极平均水含量λ后，将所述燃料电池膜电极平均水含量λ换算成水蒸气摩尔分数和液态水饱和度；

S300，依据预先设定的水含量估计误差或者电流密度大小，判断是否需要估计水含量分布；

S400，如果需要估计水含量分布，则采用如下方法估计水含量分布：

S410，选定净水传递系数初始值；

S420，根据阳极进气条件和阳极排气条件，计算阳极腔室平均水蒸气分压p_W,A，0和阳极腔室平均水蒸气浓度c_w,A,o：

p_W,A，0＝x_W,Anp_A其中，x_W,An表示阳极水的摩尔分数，p_A表示阳极气体压强；

其中，R为8.314J/mol/K，T是温度；

S430，根据阴极进气条件和阴极排气条件，计算阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,o和阴极腔室平均水蒸气浓度c_w,c,o：

p_W,C，0＝x_W,Cap_C其中，x_W,Ca表示阴极水的摩尔分数，p_C表示阴极气体压强；

其中，R为8.314J/mol/K，T是温度；

S440，根据S420和S430得到的所述阳极腔室平均水蒸气分压p_W,A，0和所述阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,o判断是否偏干；

如果判断结果是偏干，则执行S450和S460，如果判断的结果是偏湿，则跳过执行S450和S460，直接执行S470；

S450，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算阳极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,A,1，阳极气体扩散层水蒸气分布为线性分布，

其中，c_W,A,1表示阳极气体扩散层与膜电极界面处的水蒸气含量，N是指从阳极流道向阳极催化剂层的水的通量(mol/s)，稳态下也等于穿过膜，从阳极到阴极的水的通量；

c_W,A,0为阳极腔室平均水蒸气浓度，c_W,A,1是指阳极流道-GDL界面水浓度，c_W,A,0指阳极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL为扩散系数，d_GDL为GDL厚度；

S460，根据阴极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算阴极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,C,1，阴极气体扩散层水蒸气分布为线性分布：

c_W,C,1是指阴极流道-GDL界面水浓度，c_W,C,0指阴极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL为扩散系数，d_GDL为GDL厚度，N是指从阳极流道向阳极催化剂层的水的通量(mol/s)，F为法拉第常数；

S470，计算膜电极和阳极气体扩散层界面水含量，如果偏干，则取S450的计算结果；如果偏湿，则取阳极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量；

S480，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量，如果偏干，则取S460的计算结果，如果偏湿，则取阴极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量；

S490，根据膜电极和阳极气体扩散层界面水含量和净水传递系数，基于质子交换膜水传递模型，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量：

α为净水传递系数，I为电流强度，F为法拉第常数，n_drag为电拖拽系数n_drag＝2.5λ/22，D_W,MEA,eff为膜内水传递系数，c_W,C,1为阴极催化剂层-膜界面水含量，c_W,A,1为阳极催化剂层-膜界面水含量，t_mem为膜电极的厚度，

S500，将S480和S490中得到的膜电极和阴极气体扩散层水含量相减得到误差；

S510，判断S500中得到的所述误差是否满足要求，如果是，执行S520，如果不满足要求，则更新所述净水传递系数的值，返回S420，采用迭代计算，计算出净水传递系数α；

S520，得到所述净水传递系数α和各个界面处的水浓度，即得到了燃料电池内部的水含量分布，所述各个界面处的水浓度包括阳极流道和阳极气体扩散层的界面、阳极气体扩散层和膜电极的界面、膜电极和阴极气体扩散层的界面以及阴极气体扩散层和阴极流道的界面。