本发明涉及燃料电池水管理领域，具体涉及质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统及其工作方法。
背景技术：
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，只发生电化学反应，没有燃烧过程，具有效率高，无污染，寿命长和高可靠性等优点。由于燃料电池直接将化学能转化为电能，因而其效率远高于内燃机，又是绿色环保能源，可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中，极具发展潜力和应用前景。
其中质子交换膜燃料电池(pemfc)，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。
质子交换膜需要有水润湿的状态下才能够传导质子，含水量过低，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压损失增大，膜失水后催化层界面的活性也会下降。电池内部过多的液态水，会导致电极水淹，会阻碍氧气的传递，降低催化剂的利用率，阻碍电化学反应的正常进行，使电池性能下降，功率密度越大，这种潜在的影响也就越大；过多的气态水，会稀释反应气体的浓度，造成反应界面的反应气体不足。因此，为了提高质子交换膜电池性能和寿命，始终确保质子交换膜中稳定的含水量至关重要。
当前存在的水管理系统如cn106450383是使用水位监测装置进行膜内水状态的检测，通过燃料电池出口处的水位或者性能的改变获取的燃料电池内的膜水合状态实时性较差，所进行的是延后的水管理。
技术实现要素：
为了优化质子交换膜燃料电池的电堆水管理以提升其性能，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统及其工作方法。该方法主要是在具体的工作状态下，测量燃料电池内部的阳极压力降与欧姆阻抗还有湿度状态准确获取膜的水合状态，通过不断修正进入电堆的反应气的参数状态对燃料电池电堆进行动态闭环的最优化水管理。
本发明采用动态调整策略，利用测量阳极压力降，电堆阻抗以及用电池内湿度综合判断的方法判断电堆内的水状态，并对反应气体进行动态的参数调整，对电堆的水状态进行动态的最优化调节。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，包括质子交换膜燃料电池模块、水管理模块、信号处理模块、检测模块、氢气储存装置及空气泵；所述信号处理模块分别与质子交换膜燃料电池模块、水管理模块、检测模块及氢气储存装置连接；所述空气泵与水管理模块连接；所述氢气储存装置与水管理模块连接；所述检测模块与氢气储存装置连接。
进一步地，所述质子交换膜燃料电池模块包括质子交换膜燃料电池、欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器；所述欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器分别与质子交换膜燃料电池连接；
所述水管理模块包括第一电控减压阀、第二电控减压阀、第一电控调温装置、第二电控调温装置、第一电控加湿装置、第二电控加湿装置、冷凝器及第三电控开关阀；
所述检测模块包括第一温度传感器、第一压力传感器、第一湿度传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器及第二压力传感器。
进一步地，所述氢气储存装置与第一电控减压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器、第一电控加湿装置、第一电控调温装置及第一湿度传感器的前端口依次连接。
进一步地，所述空气泵与第二电控减压阀、第二压力传感器、第二温度传感器、第二电控加湿装置、第二电控调温装置与第二湿度传感器的前端口依次连接。
进一步地，所述质子交换膜燃料电池电堆的阴极进口经第二电控开关阀与第二湿度传感器后端口相连接；所述质子交换膜燃料电池电堆的阳极端经第一电控开关阀与第一湿度传感器的后端口相连接。
进一步地，所述信号处理模块分别与第一电控减压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器、第一电控开关阀、第一电控调温装置、第一电控加湿装置、质子交换膜燃料电池电堆模块、第二压力传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器、第二电控减压阀、第二电控调温装置、第二电控加湿装置、第二电控开关阀及第三电控开关阀连接。
进一步地，在电堆工作时持续进行排水，所述质子交换膜燃料电池电堆模块上阴极出口处设置有电控开关阀三并连接冷凝器，利用脉冲排水与水蒸气浓度差排水配合进行电堆排水。电控开关阀与冷凝器的选择可采取多种形式。
进一步地，所述冷凝器的出水口连接第一电控加湿装置以及第二电控加湿装置，系统循环利用反应生成水。
本发明提供一种上述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统的工作方法，包括如下步骤：
(1)信号处理模块首先根据所需的输出功率计算得出所需的工作参数，通过调整反应气体的参数控制电池达到所需功率(信号处理模块控制氢气端与空气端的电控减压阀，电控调温装置，电控加湿装置对进入燃料电池模块的反应气体参数进行控制)；当燃料电池处于稳定工作状态并输出需求功率时，电堆在阴极出口处用电控开关阀进行脉冲排水(电堆阴极出口端的电控开关阀在电堆工作时持续进行间隔开闭，利用脉冲排水即利用阀门关闭时积蓄的压力将水分带出)，并且冷凝器辅助进行水蒸气浓度差排水(通过冷凝器不断将排气中的水分冷凝造成的水蒸气浓度差持续带出水分)，持续对电堆进行排水以防止电堆水淹；
(2)质子交换膜燃料电池电堆模块内的压力传感器将阳极的压力降转化为电信号输送到信号处理模块，信号处理模块通过测量电堆欧姆阻抗(欧姆阻抗测试装置将燃料电池电堆的电化学阻抗变化转化为电信号并传输到信号处理模块)，阳极侧气体压力降以及电堆内部湿度状态准确判断电堆内部的膜水合状态(湿度传感器也将电堆内湿度状态以电信号形式传输到信号处理模块)；信号处理模块利用上述实时膜水合状态的判断(信号处理模块根据压力降与电化学阻抗变化并以湿度状态辅助进行膜水合状态的准确判断)，不断修正计算能使电堆处于最佳膜水合状态的反应气的湿度、温度及压力参数，并将控制信号传输到水管理模块(传输到第一电控减压阀、第一电控调温装置、第一电控加湿装置)以调整进入电堆的反应气体的湿度、温度与压力参数，使电堆的膜水合状态处于最佳工作范围(动态调整燃料电池电堆膜的含水量以使电堆持续处于最佳工作状态)。
进一步地，所述信号处理模块通过调整反应气体参数使电堆正常工作，持续进行排水防止水淹，同时对电堆内部膜水合状态进行实时检测与判断，并通过调整进入电堆的反应气体参数将膜的水合状态控制在最佳区间，以形成动态的最优化闭环控制。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统中，信号处理模块负责系统的检测、判断、调控。且信号处理模块、电控加湿装置、电控调温装置及电控阀门可以采用多种形式的设备。
本发明提供的新型水管理系统采用动态闭环控制策略实现优化。该信号处理模块首先根据所需的输出功率计算得出所需的反应气体参数，通过调整反应气体的参数控制电池达到所需功率。当燃料电池处于稳定工作状态时，电堆在阴极出口处用电控开关阀进行脉冲排水以及冷凝器辅助排水，持续进行排水以防止电堆水淹。通过测量电堆欧姆阻抗，阳极侧气体压力降以及电堆内部湿度状态准确判断电堆内部的膜水合状态。信号处理模块通过上述实时膜水合状态的判断不断计算修正并调整控制进入电堆的反应气体的湿度，温度与压力以使电堆的膜水合状态处于最佳工作范围。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)采用本发明对燃料电池电堆的具体工作状态进行动态的水管理，不断调整反应气体的参数使电堆保持持续的最佳的工作状态，避免电池内部发生过干或者水淹影响电池的工作，能提高燃料电池的工作效率与寿命；
(2)本发明采用动态调整策略，利用测量阳极压力降，电堆阻抗以及用电池内湿度综合判断的方法判断电堆内的水状态，并对反应气体进行动态的参数调整，能够对电堆的水状态进行动态的最优化调节，使电堆持续保持最佳的工作状态，避免电池内部发生过干或者水淹影响电池的工作，以提高燃料电池的工作效率与寿命。
附图说明
图1是本发明的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统的结构图；
图2是本发明系统的控制策略图。
图中：1-氢气储存装置，2-第一电控减压阀，3-第一压力传感器，4-第一温度传感器，5-第一电控加湿装置，6-第一电控调温装置，7-第一湿度传感器，8-第一电控开关阀，9-质子交换膜燃料电池模块，10-第三电控开关阀，11-冷凝器，12-信号处理模块，13-空气泵，14-第二电控减压阀，15-第二压力传感器，16-第二温度传感器，17-第二电控加湿装置，18-第二电控调温装置，19-第二湿度传感器，20-第二电控开关阀。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
实施例
如附图1所示，本发明实施例提供的一种质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，主要包括氢气储存装置1、空气泵13、质子交换膜燃料电池电堆模块9、信号处理模块12、水管理模块(包括第三电控开关阀10，冷凝器11，第一电控加湿装置5，第一电控调温装置6，第二电控加湿装置17，第二电控调温装置18)。
所述质子交换膜燃料电池模块9包括质子交换膜燃料电池、欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器；所述欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器分别与质子交换膜燃料电池连接。
氢气储存装置依次经第一电控减压阀2、第一压力传感器3、第一温度传感器4、第一电控加湿装置5、第一电控调温装置6，第一湿度传感器7相连接。质子交换膜燃料电池阳极端经第一电控开关阀8与第一湿度传感器7后端口相连接；
空气泵依次与第二电控减压阀14、第二压力传感器15、第二温度传感器16、第二电控加湿装置17、第二电控调温装置18、第二湿度传感器19相连接。燃料电池阴极气体进口经第二电控开关阀20与第二湿度传感器19后端口相连接；
信号处理模块12分别与第一电控减压阀2、第一压力传感器3、第一温度传感器4、第一电控加湿装置5、第一电控调温装置6、第一湿度传感器7、第一电控开关阀8、质子交换膜燃料电池电堆模块9、第二电控减压阀14、第二压力传感器15、温度传感器16、第二电控加湿装置17、第二电控调温装置18、第二湿度传感器19、第二电控开关阀20及第三电控开关阀10连接；质子交换膜燃料电池模块的阴极出口处连接有第三电控开关阀10，并与冷凝器11相连。
参照图2所示，本发明的工作方法与工作原理描述如下：
首先信号处理模块12根据输入的需求功率，计算输入电堆反应的氢气和空气所需的压力湿度温度参数，并将相应的控制信号传输到第一电控减压阀2，第二电控减压阀14，第一电控调温装置6，第二电控调温装置18，第一电控加湿装置5，第二电控加湿装置17以定量控制反应气体的压力，温度与湿度，使电池达到稳定输出该需求功率的工作状态。
信号处理模块12在电堆工作时持续控制电堆阴极出口端的第三电控开关阀10进行间隔开闭，利用阀门将阀门关闭时积蓄的压力将水分带出，并且通过冷凝器11不断将排气中的水分冷凝造成的水蒸气浓度差持续带出电堆中的多余水分防止电堆水淹。
质子交换膜燃料电池电堆模块9内部的压力传感器与欧姆阻抗测试装置检测燃料电池电堆内部阳极的压力降以及电池的欧姆阻抗并将其转换为电信号传输到信号处理模块12，而且湿度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池电堆内的湿度状态转化为电信号，且传输给信号处理模块12；信号处理模块12根据阳极压力降以及电池内阻抗变化以及电堆内部的湿度状态准确判断电堆内部膜的水合状态。
信号处理模块12根据前述对膜水合状态的判断，不断修正计算能使电堆处于最佳膜水合状态的反应气的湿度温度压力参数，并将所需的控制信号传输到第一电控减压阀2，第二电控减压阀14，第一电控调温装置6，第二电控调温装置18，第一电控加湿装置5，第二电控加湿装置17调整进入电堆的反应气的湿度温度压力参数，动态调整电堆内的膜水合状态以使其处于最佳工作范围。
此外，冷凝器11将收集的水分输送到第一电控加湿装置5与第二电控加湿装置17用于反应气体的加湿，系统循环利用反应生成水。
质子交换膜燃料电池电堆工作时膜水合状态检测，判断和控制同步进行，对燃料电池电堆的工作状态不断的进行调整以实现电池的动态最优化水管理。
综上所述，通过以上的方法本发明对燃料电池电堆的具体工作状态进行动态的水管理，通过不断调整电池反应气体的温度湿度压力参数使电堆保持持续的最佳工作状态，避免电池内部发生过干或者水淹影响电池的工作，以提高燃料电池的工作效率与寿命。
本发明的系统可以应用与便携电源，小型移动电源，车载电源，备用电源等的燃料电池。也可使用于汽车，火车，轮船等交通工具上。
对于本领域的技术人员而言，显然发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由附属权利要求，而不是上述说明限定，因此旨在将权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如燃料电池的类型，检测装置的具体选择，电控加湿装置的选择，冷凝器的选择设置，都应在本发明的保护范围内。
1.质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池模块、水管理模块、信号处理模块、检测模块、氢气储存装置及空气泵；所述信号处理模块分别与质子交换膜燃料电池模块、水管理模块、检测模块及氢气储存装置连接；所述空气泵与水管理模块连接；所述氢气储存装置与水管理模块连接；所述检测模块与氢气储存装置连接。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池模块包括质子交换膜燃料电池、欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器；所述欧姆阻抗测试装置、电池模块的压力传感器及电池模块的湿度传感器分别与质子交换膜燃料电池连接；
所述水管理模块包括第一电控减压阀、第二电控减压阀、第一电控调温装置、第二电控调温装置、第一电控加湿装置、第二电控加湿装置、冷凝器及第三电控开关阀；
所述检测模块包括第一温度传感器、第一压力传感器、第一湿度传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器及第二压力传感器。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述氢气储存装置与第一电控减压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器、第一电控加湿装置、第一电控调温装置及第一湿度传感器的前端口依次连接。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述空气泵与第二电控减压阀、第二压力传感器、第二温度传感器、第二电控加湿装置、第二电控调温装置与第二湿度传感器的前端口依次连接。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆阴极进口经第二电控开关阀与第二湿度传感器后端口相连接；所述质子交换膜燃料电池电堆的阳极端经第一电控开关阀与第一湿度传感器的后端口相连接。
6.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述信号处理模块分别与第一电控减压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器、第一电控开关阀、第一电控调温装置、第一电控加湿装置、质子交换膜燃料电池电堆模块、第二压力传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器、第二电控减压阀、第二电控调温装置、第二电控加湿装置、第二电控开关阀及第三电控开关阀连接。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆模块上阴极出口处设置有电控开关阀三并连接冷凝器，利用脉冲排水与水蒸气浓度差排水配合进行电堆排水。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统，其特征在于，所述冷凝器的出水口连接第一电控加湿装置以及第二电控加湿装置，系统循环利用反应生成水。
9.一种权利要求1-8任一项所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)信号处理模块首先根据所需的输出功率计算得出所需的工作参数，通过调整反应气体的参数控制电池达到所需功率；当燃料电池处于稳定工作状态时，电堆在阴极出口处用电控开关阀进行脉冲排水，并且冷凝器辅助进行水蒸气浓度差排水，持续对电堆进行排水以防止电堆水淹；
(2)信号处理模块通过测量电堆欧姆阻抗，阳极侧气体压力降以及电堆内部湿度状态准确判断电堆内部的膜水合状态；信号处理模块利用上述实时膜水合状态的判断，不断修正计算能使电堆处于最佳膜水合状态的反应气的湿度、温度及压力参数，并将控制信号传输到水管理模块以调整进入电堆的反应气体的湿度、温度与压力参数，使电堆的膜水合状态处于最佳工作范围。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池的电堆动态水管理系统的工作方法，其特征在于，所述信号处理模块通过调整反应气体参数使电堆正常工作，持续进行排水防止水淹，同时对电堆内部膜水合状态进行实时检测与判断，并通过调整进入电堆的反应气体参数将膜的水合状态控制在最佳区间，以形成动态的最优化闭环控制。
技术总结