一种判断燃料电池含水量合理性的方法与流程

本发明属于燃料电池，涉及一种判断燃料电池含水量合理性的方法。

背景技术：

1、燃料电池由于其功率密度高、重量轻和资源丰富等特点得到广泛应用。在燃料电池的运行过程中，电池内部含水量过高会产生水淹故障，影响气体的传质扩散，从而使得气体反应物到达反应位点的传输受阻，燃料电池的活化损耗和浓差损耗显著增加；若含水量不足则会导致膜干故障，膜干故障会引起电阻率上升，使得燃料电池在运行过程中产热增加，进一步导致能量转化效率降低及更为严重的膜干故障，甚至造成局部热点，产生永久性损坏，严重时会影响燃料电池性能和耐久性。

2、同时，随着燃料电池电堆功率规格进一步的增大，输出电流规格需求增大，单电池活性面积增大，活性面积内的温度差异和含水量差异增加，存在活性面积内各处的温度和含水量偏离最佳状态的情况，因此，需要可根据工况差异优化不同区域的温度，控制燃料电池内的含水量。

3、如cn 114583220a公开的燃料电池含水量控制方法、燃料电池系统及燃料电池车辆，其以氢气循环泵电流为依据，辅以单片电池最低电压和单片电池电压一致性，以确定燃料电池含水量是否在正常范围，并在发现含水量过高或过低的情况下，先控制改变电堆反应温度，以在不浪费能源的情况下试图去调整燃料电池含水量，在改变电堆反应温度效果不佳的情况下，再去改变空压机转速和排氢频率，以加快/减少水分的排水，提高对改变燃料电池含水量的控制指令的响应速度，使燃料电池电堆工作在合适的环境下，无需添加阀门或者管路，但是其判断含水量的方法较复杂，判断结果会受工况差异的影响，也无法根据含水量判断区域温度的合理性。

4、基于以上研究，需要提供一种判断燃料电池含水量合理性的方法，所述方法简单易实现，能够准确判断含水量是否合理，能够根据判断结果，降低或者提升电堆的排水量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种判断燃料电池含水量合理性的方法，所述方法仅需通过调节冷却液入口和出口的温度，即可判断电堆含水量是否合理，即简便，准确性又高，能够根据工况差异优化不同区域的温度。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种判断燃料电池含水量合理性的方法，所述方法包括如下步骤：(1)燃料电池在正常额定工况下运行，测量此时电堆电压u0；

4、(2)步骤(1)测量电堆电压u0后，同时提高冷却液入口温度和冷却液出口温度，若燃料电池无法稳定运行，则电堆的含水量过低；

5、若燃料电池能稳定运行，测量此时电堆电压u1，若u1≥u0+△u，则电堆含水量过高；

6、(3)步骤(1)测量电堆电压u0后，或者步骤(2)判断完成后，同时降低冷却液入口温度和冷却液出口温度，若燃料电池无法稳定运行，则电堆含水量过高；

7、若燃料电池能稳定运行，测量此时电堆电压u2，若u2≥u0+△u，则电堆含水量过低；

8、(4)步骤(3)判断完成后，增大冷却液出口温度和冷却液入口温度的差值，若燃料电池无法稳定运行，则冷却液入口区域含水量过高；

9、若燃料电池能稳定运行，测量此时的电堆电压u3，若u3≥u0+△u，则冷却液入口区域含水量过低；

10、(5)步骤(3)判断完成后，增大冷却液出口温度和冷却液入口温度的差值，或者完成步骤(4)的判断后，提升冷却液入口温度和冷却液出口温度，同时保证冷却液出口温度与冷却液入口温度的差值不小于步骤(4)中所述差值，若燃料电池无法稳定运行，则冷却液出口区域含水量过低；

11、若燃料电池能稳定运行，测量此时的电堆电压u4，若u4≥u0+△u，则冷却液出口区域含水量过高；

12、所述含水量指在正常额定工况下的含水量，所述△u为电堆总输出电压的需要响应处理的性能偏差阈值。

13、本发明通过调节电堆冷却液入口温度和冷却液出口温度，就可对电堆含水量是否合理进行判断，其中，在提升电堆温度运行时，同时提升冷却液入口和出口的温度，通过判断此时电堆电压值，就能确定电堆含水量是否过高或过低，若含水量过高则需要提高排水量，若含水量过低则需要降低排水量；同时，作为本发明的另一种并列技术方案，可以通过降低电堆温度运行，也能判断电堆含水量是否合理；作为本发明的再一种并列技术方案，在进行完步骤(2)的提升电堆温度运行后，再进行降低电堆温度运行，能够再次判断电堆含水量的合理性，因此，本发明仅需通过同时升高或者降低冷却液入口或者出口的温度，即能够判断电堆含水量是否合理。

14、本发明不仅能判断电堆的含水量是否合理，还能通过增大冷却液入口和出口的温度梯度判断区域含水量是否合理，从而判断出区域温度是否合理，成功对冷却液上游区域和下游区域的温度解耦；此外，本发明通过步骤(4)的判断后，在保证冷却液入口和出口具备较大温度梯度时，提升冷却液入口和出口的温度，从而能够判断出冷却液出口区域的含水量，从而判断出冷却液出口温度是否合理。

15、本发明步骤(2)和步骤(3)的顺序可以调换，步骤(4)和步骤(5)的顺序可以调换，但是需要保证步骤(4)和步骤(5)在步骤(2)和步骤(3)之后进行，否则会影响含水量判断的准确性。

16、本发明所述含水量合理，过高或者过低，均是指在正常额定工况下的情况，不是指燃料电池当下时刻的含水量。

17、优选地，所述步骤(2)中，若u1＜u0+△u，则电堆含水量合理。

18、优选地，所述步骤(3)中，若u2＜u0+△u，则电堆含水量合理。

19、优选地，所述步骤(2)判断完成后，进行步骤(3)所述降低冷却液入口温度和冷却液出口温度的后续步骤。

20、优选地，所述步骤(4)中，若u3＜u0+△u，则电堆含水量合理。

21、优选地，所述步骤(5)中，若u4＜u0+△u，则电堆含水量合理。

22、优选地，所述完成步骤(4)的判断后，提升冷却液入口温度和冷却液出口温度，进行后续判断。

23、优选地，完成步骤(5)后，将燃料电池恢复至正常额定工况运行。

24、优选地，所述冷却液入口区域含水量过低，则冷却液入口温度过高；

25、优选地，所述冷却液入口区域含水量过高，则冷却液入口温度过低。

26、本发明根据区域含水量进行实时调节，保证燃料电池的正常运行，如冷却液入口区域含水量过低，则冷却液入口温度过高，需要降低冷却液入口温度。由于燃料电池活性区域局部温度决定该部分的饱和蒸汽压，也因此决定了排水性能和含水量等影响燃料电池运行性能的关键因素。

27、优选地，所述冷却液出口区域含水量过高，则冷却液出口温度过低。

28、优选地，所述冷却液出口区域含水量过低，则冷却液出口温度过高。

29、本发明通过步骤(4)的判断后，在保证冷却液入口和出口具备较大温度梯度时，提升冷却液入口和出口的温度，从而能够判断出冷却液出口区域的含水量，从而判断出冷却液出口温度是否合理，若冷却液出口区域含水量过高，则冷却液出口温度过低，需要提升冷却液出口温度。

30、优选地，所述冷却液入口温度为60-80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，但不仅限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

31、优选地，所述冷却液出口温度为70-90℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃或90℃，但不仅限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

32、为了保证电堆正常运行，同时为了得到准确的判断结果，优选冷却液入口温度在60-80℃内变化，所述冷却液出口温度在70-90℃内变化。

33、本发明所述冷却液入口和出口的温度变化是根据冷却液泵流量和散热风扇气流量的变化实现。

34、优选地，步骤(2)-步骤(5)所述△u分别独立地不低于2mv/单电池，例如可以是2mv/单电池、5mv/单电池、10mv/单电池、15mv/单电池、20mv/单电池、25mv/单电池、30mv/单电池或35mv/单电池，但不仅限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为20mv/单电池。

35、优选地，所述稳定运行的时间为10s-30min，例如可以是10s、30s、1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min，但不仅限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为30s-5min。

36、本发明所述稳定运行时间从冷却液入口出口温度达到并维持在设定值时开始计时。

37、作为本发明的优选技术方案，所述方法包括如下步骤：

38、(1)燃料电池在正常额定工况下运行，测量此时电堆电压u0；

39、(2)步骤(1)测量电堆电压u0后，同时提高冷却液入口温度和冷却液出口温度，若燃料电池无法稳定运行，则电堆的含水量过低；

40、若燃料电池能稳定运行30s-5min，测量此时电堆电压u1，若u1＜u0+△u，则电堆含水量合理，若u1≥u0+△u，则电堆含水量过高；

41、(3)步骤(2)判断完成后，同时降低冷却液入口温度和冷却液出口温度，若燃料电池无法稳定运行，则电堆含水量过高；

42、若燃料电池能稳定运行30s-5min，测量此时电堆电压u2，若u2＜u0+△u，则电堆含水量合理，若u2≥u0+△u，则电堆含水量过低；

43、(4)步骤(3)判断完成后，增大冷却液出口温度和冷却液入口温度的差值，若燃料电池无法稳定运行，则冷却液入口区域含水量过高，冷却液入口温度过低；

44、若燃料电池能稳定运行30s-5min，测量此时的电堆电压u3，若u3＜u0+△u，则电堆含水量合理，若u3≥u0+△u，则冷却液入口区域含水量过低，冷却液入口温度过高；

45、(5)步骤(4)判断完成后，提升冷却液入口温度和冷却液出口温度，同时保证冷却液出口温度与冷却液入口温度的差值不小于步骤(4)中所述差值，若燃料电池无法稳定运行，则冷却液出口区域含水量过低，冷却液出口温度过高；

46、若燃料电池能稳定运行30s-5min，测量此时的电堆电压u4，若u4＜u0+△u，则电堆含水量合理，若u4≥u0+△u，则冷却液出口区域含水量过高，冷却液出口温度过低；

47、(6)步骤(5)判断完成后，将燃料电池恢复至正常额定工况运行；

48、所述含水量指在正常额定工况下的含水量，所述△u为电堆电压的误差值。

49、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

50、本发明通过提升电堆温度运行和降低电堆温度运行，再根据电堆运行情况以及电压大小，能够判断出电堆含水量是否合理，从而能够根据判断结果，降低或者提升电堆的排水量；同时，本发明还通过改变冷却液入口温度和出口温度的温度梯度，即通过改变出口温度和入口温度之间的差值，得到了区域含水量的判断结果，具体能够判断冷却液的入口温度和出口温度是否合理，实现了冷却液上游区域和下游区域的温度解耦，从而能够根据性能变化分析各区域的含水量。