[发明专利]一种燃料电池膜含水量闭环管理方法

说明书

本发明提供一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，属于燃料电池技术领域，通过实时测量燃料电池的膜含水量当前值，得到膜含水量的偏差值，经死区控制和PI控制后获得膜含水量调控量，再采用分级控制方法获得燃料电池的阴极进气湿度调控量、电堆运行温度调控量和空气计量比调控量，进而实现对燃料电池膜含水量的控制。本发明按优先级顺序控制阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，实现快速及最小代价地调控含水量，以提高运行能效，同时实现对膜含水量的精准调控，避免膜干和水淹故障，提高系统的可靠性和耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜含水量闭环管理方法。

背景技术

近年来，质子交换膜燃料电池的商业化正在加速发展。规模化的市场应用对燃料电池系统的可靠性和耐久性提出了更高的要求。统计表明，燃料电池故障及寿命衰退的重要因素是不良的膜含水量管理；其中，膜干和水淹故障是主要的影响因素。当质子交换膜过干时，其质子传导性降低，欧姆损耗增加，电堆输出电压性能下降。长期膜干将导致质子交换膜产生局部热点穿孔、性能退化等不可逆的损坏。当堆内湿度过高时，液态水在电堆催化层、气体扩散层以及流道内聚集，造成孔隙率减小、电极表面堵塞，反应气体传输受阻，产生水淹故障。水淹故障一方面引起反应面积减少，使电堆输出性能下降，另一方面引起局部缺气，电池电压反极，对膜电极组件产生不可逆的伤害。

为了确保输出性能、稳定性和使用寿命，在电堆运行过程中，集成系统设计及控制策略需确保质子交换膜保持在合适的湿度水平，一方面具有良好的质子传导率及较低的欧姆损耗，另一方面不至于让液态水聚集，堵塞流道。本发明提出了一种燃料电池系统的闭环水管理方法，系统实时测量燃料电池电堆的膜含水量，根据本发明提出的闭环水管理方法，改变燃料电池系统的阴极进气湿度、电堆运行温度、阴极空气计量比，从而调控燃料电池电堆的膜含水量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，通过控制燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，使膜含水量在燃料电池运行过程中保持在正常范围内，从而提高燃料电池的运行能效、系统可靠性和使用寿命。

本发明具体技术方案如下：

一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量获取燃料电池的膜含水量当前值S_mea，与预设的膜含水量设定值S_set作差，得到膜含水量的偏差值ΔS＝S_set-S_mea；

步骤2：对膜含水量的偏差值ΔS进行死区控制，得到死区控制量ΔS_limit，计算公式为：

其中，λ为预设的死区控制参数，λ≥0；

步骤3：基于PI(比例积分)控制原理，将死区控制量ΔS_limit转换为膜含水量调控量O_set；

步骤4：根据膜含水量调控量O_set，采用分级控制方法对燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和空气计量比进行控制，获得对应的阴极进气湿度调控量f_RH(O_set)、电堆运行温度调控量f_T(O_set)和空气计量比调控量f_St(O_set)；

所述分级控制方法的控制规则如下：