[发明专利]质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统，所述质子交换膜燃料电池包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统包括温度测量单元、初始温度控制单元和冷却控制单元，其中：

温度测量单元包括红外热像仪以及反应表面温度计算模块，红外热像仪测量质子交换膜燃料电池阴极板和阳极板的背面温度，反应表面温度计算模块根据来自红外热像仪测得的阴极板和阳极板的背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，其中所述反应表面是阴极催化剂层与质子交换膜的交界面；

初始温度控制单元设置在燃料电池和燃料电池的储氢设备之间，包括第一电加热器和第一温度传感器，第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；

冷却控制单元连接于燃料电池，包括第二温度传感器、第二电加热器、板式换热器、水泵、补水系统、第三温度传感器、以及PID控制器。

2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统，其特征在于，在阳极板和阴极板的背面分别设置有阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面，所述阳极板黑体观察面和所述阴极板黑体观察面由铝或不锈钢材料制成。

3.一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，其利用权利要求2所述的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统对质子交换膜燃料电池温度进行测量和控制，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法包括：

步骤1：利用红外热像仪对阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面进行温度测量以得到阳极板背面温度和阴极板背面温度，包括：将阳极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阳极板背面温度；将阴极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阴极板背面温度；

步骤2：通过反应表面温度计算模块根据阳极板背面温度和阴极板背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，包括：

(1)建立质子交换膜燃料电池一维换热模型，在所述一维换热模型中，燃料电池分为上部的肋部和下部的流道部，并且燃料电池的传热沿平面方向进行，反应表面产生的热量分别传递到阴极板和阳极板；

(2)根据如下公式1计算多孔介质的有效导热系数，其中所述多孔介质包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，

公式1：

在公式1中，k_E是有效导热系数，单位为W/(m·K)，k_S为多孔介质固体部导热系数单位为W/(m·K)，k_F为多孔介质流体部导热系数，单位为W/(m·K)，ε为多孔介质孔隙率；

(3)根据如下公式2、公式3、公式4和公式5计算燃料电池各部件的总传热系数，其中燃料电池各部件包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，

公式2：

公式3：

公式4：

公式5：

在公式2、公式3、公式4和公式5中，K_rib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)；K_rib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)；K_chan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)；K_chan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)；δ_cat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的厚度，单位为mm；k_cat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的有效导热系数，其通过公式1计算；δ_GDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的厚度，单位为mm；k_GDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的有效导热系数，其通过公式1计算；δ_rib为阳极板和阴极板的肋部厚度，单位为mm；k_rib为阳极板和阴极板的肋部有效导热系数，其通过公式1计算；δ_sep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的厚度，单位为mm；k_sep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的有效导热系数，其通过公式1计算；δ_PEM为质子交换膜的厚度，单位为mm；k_PEM为质子交换膜的有效导热系数，其通过公式1计算；

(4)根据如下公式6、公式7、公式8、公式9和公式10计算燃料电池反应表面的总换热量，

公式6：Q_rib.c＝AK_rib.c(T_react-T_surf.c)/2

公式7：Q_rib.a＝AK_rib.a(T_react-T_surf.a)/2

公式8：Q_chan.c＝AK_chan.c(T_react-T_surf.c)/2

公式9：Q_chan.a＝AK_chan.a(T_react-T_surf.a)/2

公式10：Q_react＝Q_rib.c+Q_rib.a+Q_chan.c+Q_chan.a

在公式6、公式7、公式8、公式9和公式10中，Q_rib.c为阴极板肋部换热量，单位为W；K_rib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)，其通过公式2计算；A为换热面积，单位为m²；T_react为反应表面温度，单位为℃；T_surf.c为阴极板背面温度，单位为℃；Q_rib.a为阳极板肋部换热量，单位为W；K_rib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)，其通过公式3计算；T_surf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Q_chan.c为阴极流道部换热量，单位为W；K_chan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)，其通过公式4计算；Q_chan.a为阳极流道部换热量，单位为W；K_chan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)，其通过公式5计算；Q_react为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；

(5)根据如下公式11、公式12、公式13和公式14计算得到燃料电池反应表面的总换热量，

公式11：Q_react＝ΔH-ΔG

公式12：

公式13：ΔG＝I×V

公式14：

在公式11、公式12、公式13和公式14中，Q_react为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W，其通过公式6至10计算；ΔH为反应过程燃料电池所释放的能量；ΔG为燃料电池的发电功率；C_H2是供应到燃料电池的H₂的摩尔流量，单位为mol/s，q_HHV指定为高热值285.33kJ/mol；I为燃料电池的负载电流，单位为A；V是燃料电池的负载电压，单位为伏；n为电荷数；F为法拉第常数，单位为c/mol；

(6)利用热量守恒原则确定反应表面温度与双极板背面温度之间的关系，将上述公式1至9和11至14都带入到公式10中，整理后得出如下公式15，

公式15：

其中，T_react为反应表面温度，单位为℃；T_surf.c为阴极板背面温度，单位为℃；T_surf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Q_react为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；K_rib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)；A为换热面积，单位为m²；K_chan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)；K_chan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m²K)；K_rib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m²K)；

步骤3：利用初始温度控制单元和冷却控制单元对质子交换膜燃料电池的温度进行控制，包括：

依据燃料电池电堆发生电化学反应所需的最优温度范围要求，通过初始温度控制单元对燃料电池的供气初始温度进行控制，由第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，由第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；

利用冷却控制单元实现燃料电池运行过程中的温度保持和热能量交换，在水泵正常运行过程中同时开启温度控制，如果第三温度传感器测量到的温度高于目标温度值，通过PID控制器调高流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值；如果第三温度传感器测量到的温度低于目标温度值，通过PID控制器制调低流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值，其中目标温度值为计算出的反应表面温度或者是由第一温度传感器检测到的经第一电加热器加热后的氢的初始温度。

4.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，其特征在于，如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围，则将氢供应到燃料电池内以发生电化学反应；如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度未达到最优温度范围，则由第一电加热器对储氢设备中的氢再次进行加热，直至由第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围。