一种质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法

• 摘要：

  本发明公开一种质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其中,阴极侧含水量的软测量方法包括如下步骤:实时采集质子交换膜燃料电池进出口的可测参数,包括燃料电池阴极入口的温度、相对湿度和压力,阴极出口的温度和压力,以及燃料电池内部反应温度;然后在建模软件中基于燃料电池内部水传递机理模型实现阴极侧含水量的软测量.采用本发明的软测量方法可准确及时地计算出阴极侧所含水蒸汽质量的大小,结合当前燃料电池反应温度下的饱和水蒸汽含量,从而反映出燃料电池内部的运行状态的优劣,特别是能够判断燃料电池内部是否积水,使燃料电池内部的湿度闭环控制成为可能.

• 专利类型：

  发明专利

• 申请/专利号：

  CN201910148506.X

• 申请日期：

  2019.02.28

• 公开/公告号：

  CN109827866A

• 公开/公告日：

  2019-05-31

• 发明人：

  沈炯 符灏 孙立

• 申请人：

  东南大学

• 主分类号：

  G01N7/00(2006.01),G,G01,G01N,G01N7

• 分类号：

  G01N7/00(2006.01),G01N7/10(2006.01),G,G01,G01N,G01N7,G01N7/00,G01N7/10

• 主权项：

  1.一种质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,包括如下步骤: 1)实时采集质子交换膜燃料电池进出口的可测参数,所述可测参数包括燃料电池阴极入口的温度、相对湿度和压力,阴极出口的温度和压力,以及燃料电池内部反应温度; 2)在建模软件中基于燃料电池内部水传递机理模型构建阴极侧含水量的软测量模型,使阴极侧含水量的软测量满足如下条件: 其中,mw,ca为阴极侧含水量; Wv,ca,in为燃料电池阴极侧入口处的水蒸气质量流量; Wv,ca,out为燃料电池阴极侧出口处的水蒸气质量流量; Wv,ca,mem为通过质子交换膜传递的水蒸气质量流量; Wv,ca,gen为燃料电池反应产生的水蒸气质量流量. 2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,步骤2)中,所述燃料电池阴极侧入口处水蒸气质量流量Wv,ca,in为: 其中,ωca,in为阴极侧进口空气的含湿率,Wca,in为燃料电池阴极侧入口空气的质量流量. 3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,步骤2)中,所述燃料电池阴极侧出口处水蒸气质量流量Wv,ca,out为: 其中,ωca,out为燃料电池阴极侧出口气体的含湿率,Wca,out为燃料电池阴极侧出口气体的质量流量. 4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,步骤2)中,基于所述水传递机理模型同时构建阴极侧氧气质量的软测量模型,确定阴极侧出口气体的含湿率ωca,out的值; 所述阴极侧氧气质量的软测量满足如下条件: 其中,为燃料电池阴极侧氧气的质量,为燃料电池阴极侧入口处的氧气质量流量,为燃料电池阴极侧出口处的氧气质量流量,为燃料电池反应所需要氧气的质量流量; 所述ωca,out与存在如下关系: 且 上式中: 为阴极侧氧气的质量分数,Wca,out为阴极侧出口气体的质量流量; Mv为水蒸气的摩尔质量,Ma,ca为阴极侧出口干空气的摩尔质量,Pca为阴极侧出口气体的压力,Pv,ca为阴极侧水蒸气分压力; Rv为水蒸气的气体常数;Tcell为电堆的温度;Vca为电堆阴极侧的体积. 5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,所述阴极侧出口氧气的质量分数和阴极侧出口干空气的摩尔质量Ma,ca分别为: 其中,为阴极侧氧气的摩尔分数,为氧气的摩尔质量,为氮气的摩尔质量. 6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,所述阴极侧出口氧气的摩尔分数根据下式确定: 其中,为阴极侧出口氧气的分压力;为氧气的气体常数. 7.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于:所述燃料电池阴极侧入口处的氧气质量流量燃料电池反应所需要氧气的质量流量分别为: 其中,为阴极侧入口空气中的氧含量的质量分数,Wa,ca,in为阴极侧入口空气的质量流量; 其中,n为电池堆内单电池的数量,Ist为外部电流密度,F为法拉利常数,为氧气的摩尔质量. 8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,步骤2)中,所述通过质子交换膜传递的水蒸气质量流量Wv,ca,mem为: Wv,mem＝Nv,mem*Mv*Afc*n; 其中,Nv,mem为单位面积下传递的水蒸气的摩尔质量,Mv为水蒸气的摩尔质量,Afc为单个燃料电池的质子交换膜的面积,n为燃料电池的数量. 9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量方法,其特征在于,步骤2)中,所述燃料电池反应产生的水蒸气质量流量Wv,ca,gen为: 其中,Mv为水蒸气的摩尔质量,n为燃料电池的数量,Ist为电流密度,F为法拉利常数.