[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

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法，所述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，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阴极板和阳极板的背面温度计算燃料电池的反应表面温度；所述方法包括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，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，利用初始温度控制单元和冷却控制单元对燃料电池的温度进行控制。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，更具体地涉及一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池被认为是全新、高效、节能、清洁的发电方式，其优点在于发电功率高、启动速度块、能量转化效率高，目前，在新能源汽车、国防、航天、计算机与通讯等许多领域有巨大的市场和十分广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池主要是由多板堆叠而成的板状结构，如图1所示，质子交换膜燃料电池包括质子交换膜1、阳极催化剂层2和阴极催化剂层2′、阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层3′、阳极板4和阴极板4′，其中，阳极催化剂层2、阳极气体扩散层3和阳极板4按照从靠近质子交换膜1到远离质子交换膜1的顺序逐次设置在质子交换膜1的一侧，类似地，阴极催化剂层2′、阴极气体扩散层3′和阴极板4′按照从靠近质子交换膜1到远离质子交换膜1的顺序逐次设置在质子交换膜1的另一侧。质子交换膜1是燃料电池的核心，不但可以作为质子的传递通道，而且作为隔离膜将阴极的氧化剂和阳极的燃料分隔。阳极催化剂层2和阳极气体扩散层3组成阳电极，阴极催化剂层2′和阴极气体扩散层3′组成阴电极，其中阳极催化剂层2和阴极催化剂层2′是发生电化学反应的地方，内部粗糙且多孔，使其有足够的表面积来促进氧气和氢气的电化学反应，阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层3′是由导电材料制成的多孔合成物，起着收集电流和支撑催化剂层的作用，而且还为电化学反应提供通道。阳极板4和阴极板4′构成双极板，起到传递和分隔燃料与氧化剂的作用，还为反应气体进入电极和水的排出提供结构支持。

但是，质子交换膜燃料电池的发展依然存在一些阻碍，具体表现为燃料电池内的温度和气体质量浓度分布不均匀，局部受热引起的局部温度升高和气体扩散不均匀，导致了使用寿命的降低及发电量的减少。其中温度分布对其性能的影响至关重要，温度分布不均匀可能促使质子交换膜以及阳极和阴极催化剂层的分解，以及可能使反应生成的水发生相变，进一步影响燃料电池的性能。

具体而言，燃料电池内的温度通常以反应表面温度来典型地表征，反应表面是指阴极催化剂层与质子交换膜的交界面。质子交换膜燃料电池在工作过程中除了发电外，还会产生大量的热，因此如果在高温工况下散热不及时会使反应表面温度分布不均匀，进而导致燃料电池发电性能降低，甚至温度过高还会致使质子交换膜脱水，使质子交换膜的质子导电率降低，影响燃料电池的整体性能。但若燃料电池局部温度过低，会导致催化剂的活性和反应速率降低。

因而，有必要对质子交换膜燃料电池进行温度测量和控制。现有技术中，主要通过将热电偶或热敏感应器等装置放置于燃料电池内部并进行温度数据读取。这种温度测量方法由于热电偶或热敏感应器和燃料电池做成一体，因此也称为一体式传感器测温。在这种一体式传感器测温中，热电偶或热敏感应器置于质子交换膜中间，并将二者压制成一体置于燃料电池内部。但在制作过程中热电偶或热敏感应器极易损坏，因此导致了较大的实验误差，除此之外安装难度较大，对操作员的要求较高。近年来除了上述的一体式传感器测温方式外，光学传感器技术也趋于成熟，其优点在于结构简单、量程大、分辨率高、响应时间短，且不受其他电磁场和电化学反应的影响，但由于其操作复杂，传感器放置到燃料电池内部容易损坏等问题，使得对燃料电池本身结构产生了影响，使其不能按照正常状态运行。