一种质子交换膜燃料电池水平衡系统及控制方法

1.本发明涉燃料电池汽车技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池水平衡系统及控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池能够将氢能转化为电能，是一种理想的能源能够被用于燃料电池汽车上。
3.质子交换膜燃料电池，在工作过程中，需要有一定的含水率，含水率过高或过低都会影响质子交换膜的工作效率。因而，为了保证质子交换膜的工作效率，就需要对质子交换膜燃料电池内的含水率进行控制。进一步地，由于阴极和阳极中水的来源不同，且在电迁移、压力差等作用下，阳极的水会向阴极渗透。在这种情况下，容易导致阳极膜干、阴极水淹等故障。
4.因而，如何保持质子交换膜燃料电池内的水平衡，是本领域技术人员亟待解决的重要问题之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池水平衡系统及控制方法，以解决现有技术中的不足，它能够保持质子交换膜燃料电池内的水平衡，使燃料电池的含水率处于较佳的水平。
6.本发明提供了一种质子交换膜燃料电池水平衡系统，燃料电池本体、阳极进气单元和阴极进气单元；所述阳极进气单元连接在所述燃料电池本体的阳极，以向所述燃料电池本体氢气；所述阴极进气单元连接在所述燃料电池本体的阴极，以向所述燃料电池本体的阴极供应空气；
7.其中，所述阳极进气单元上设有第一加湿器，所述第一加湿器用于给所述阳极进气单元内的氢气加湿；
8.所述阴极进气单元上设有第二加湿器，所述第二加湿器用于给所述阴极进气单元内的空气加湿；
9.所述燃料电池本体内设有第一湿度传感器和第二湿度传感器，所述第一湿度传感器用于检测进入所述燃料电池本体的氢气的湿度；所述第二湿度传感器用于检测进入所述燃料电池本体的空气的湿度；
10.还包括状态预警单元和水平衡控制单元；
11.所述水平衡控制单元与所述第一加湿器、所述第二加湿器、所述第一湿度传感器、第二湿度传感器和状态预警单元电连接；
12.所述状态预警单元用于对所述燃料电池本体内的水平衡状态进行预警；所述水平衡控制单元用根据所述预警单元输出的预警结果，控制所述第一加湿器和第二加湿器的加湿量。
13.如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述燃料电池本体内还设有第三湿度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计、第二流量计、第三流量计和电流传感器；
14.所述第三湿度传感器用于检测所述燃料电池本体的空气出口处的湿度；
15.所述第一压力传感器用于检测所述燃料电池本体阳极内的氢气压力；
16.所述第二压力传感器用于检测所述燃料电池本体阴极内的空气压力；
17.所述第一流量计用于检测进入所述燃料电池本体的氢气进口的氢气流量；
18.所述第二流量计用于检测进入所述燃料电池本体的空气进口的空气流量；
19.所述第三流量计用于检测从所述燃料电池本体的空气出口排出的空气流量；
20.所述电流传感器用于检测所述燃料电池本体的电流；
21.所述状态预警单元分别与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一流量计、所述第二流量计和所述电流传感器电连接；
22.所述状态预警单元根据所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一流量计、所述第二流量计、所述第一湿度传感器、所述第二湿度传感器和所述第三湿度传感器，对所述燃料电池本体的水平衡状态进行预警，并将预警结果输出到所述水平衡控制单元。
23.如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述状态预警单元用于计算所述燃料电池本体内的水量和水量变化率、阳极和阴极的水量比例以及水量比例变化率；根据所述燃料电池本体内的水量、水量变化率、水量比例及水量比例变化率对水平衡状态进行预警。
24.如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述状态预警单元根据进入燃料电池本体的水量在工作时长上的积分、排出燃料电池的水量在工作时长上的积分、燃料电池在工作时产生水的速度在工作时长上的积分，计算燃料电池内的水量。
25.如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述燃料电池本体内的水量通过以下公式计算，
[0026][0027]
其中，w
t
为燃料电池中的水量，ρ1为第一湿度传感器的检测结果，q1为第一流量计检测结果，ρ2为第二湿度传感器的检测结果，q2为第二流量计检测结果，ρ3为第三湿度传感器的检测结果，q3为第三流量计的检测结果；c为常系数，i为电流传感器的检测结果。
[0028]
如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述燃料电池本体内的水量比例通过以下公式计算，
[0029][0030]
其中，ω为阳极与阴极的水量比例，ρ1为第一湿度传感器的检测结果，q1为第一流量计检测结果，ρ2为第二湿度传感器的检测结果，q2为第二流量计检测结果，ρ3为第三湿度
传感器的检测结果，q3为第三流量计的检测结果；c为常系数，i为电流传感器的检测结果，s为质子交换模的单侧面积，k为单位面积的质子交换模在单位压差下的渗透系数，p1为第一压力传感器的检测结果，p2为第二压力传感器的检测结果。
[0031]
如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述状态预警单元的预警结果包括：第一预警结果、第二预警结果、第三预警结果、第四预警结果和第五预警结果；
[0032]
当所述水平衡控制单元获取到第一预警结果时，保持所述第一加湿器、所述第二加湿器的加湿量不变；
[0033]
当所述水平衡控制单元获取到第二预警结果时，按比例增大第一加湿器的加湿量和第二加湿器的加湿量；
[0034]
当所述水平衡控制单元获取到第三预警结果时，按比例减少第一加湿器的加湿量和第二加湿器的加湿量，并增大阴极的排水量；
[0035]
当所述水平衡控制单元获取到四预警结果时，增大所述燃料电池本体的阴极气体压力，以减少阳极气体与阴极气体的压力差；
[0036]
当所述水平衡控制单元获取到第五预警结果时，减少所述燃料电池本体的阴极气体压力，以增大阳极气体与阴极气体的压力差。
[0037]
如上所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其中，可选的是，所述状态预警单元还用于，
[0038]
在所述燃料电池本体内的水量介于第一设定范围内，且所述水量比例介于第二设定范围内时，输出第一预警结果；
[0039]
在所述燃料电池本体内的水量小于所述第一设定范围的最小值时，输出第二预警结果；
[0040]
在所述燃料电池本体内的水量大于所述第一设定范围的最大值时，输出所述第三预警结果；
[0041]
在所述燃料电池本体内的水量比例小于所述第二设定范围的最小值时，输出所述第四预警结果；
[0042]
在所述燃料电池本体内的水量比例大地所述第二设定范围的最大值时，输出所述第五预警结果。
[0043]
本发明还提出了一种质子交换膜燃料电池水平衡控制方法，其中，包括以下步骤，
[0044]
采集燃料电池本体阳极内的氢气压力、燃料电池本体阴极内的空气压力、燃料电池本体的氢气进口的氢气流量、燃料电池本体的空气进口的空气流量、燃料电池本体的空气出口排出的空气流量和燃料电池本体的电流；
[0045]
通过在时间长度上进行积分，计算燃料电池内的水量和水量比例；
[0046]
根据水量和水量比例的变化，对燃料电池的水平衡状态进行估算，并输出对应的预警结果；
[0047]
根据预警结果调节燃料电池本体的加湿量、压力及阴极排水量。
[0048]
与现有技术相比，本发明根据检测到的进入所述燃料电池本体的氢气的湿度、进入所述燃料电池本体的空气的湿度、燃料电池本体的空气出口处的湿度、燃料电池本体阳极内的氢气压力、燃料电池本体阴极内的空气压力、燃料电池本体的氢气进口的氢气流量、
燃料电池本体的空气进口的空气流量、燃料电池本体的空气出口排出的空气流量、燃料电池本体的电流，通过在工作时长上的积分来计算燃料电池本体的水量以及阳极与阴极的水量比例。并根据燃料电池本体的水量、水量比例对燃料电池的水平衡状态进行预警，并根据预警结果对第一加湿器、第二加湿器、燃料电池本体进口处的空气压力等进行控制，以使质子膜燃料电池能够处于较佳的水平衡状态，从而有利于保证质子膜燃料电池处于较高的工作效率。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例1的结构示意图；
[0050]
图2是本发明实施例1的另一种结构示意图；
[0051]
图3是本发明实施例2的步骤流程图。
[0052]
附图标记说明：
[0053]
1-燃料电池本体，2-阳极进气单元，3-阴极进气单元，4-状态预警单元，5-水平衡控制单元；
[0054]
11-第一湿度传感器，12-第二湿度传感器，13-第三湿度传感器，14-第一压力传感器，15-第二压力传感器，16-第一流量计，17-第二流量计，18-第三流量计，19-电流传感器；
[0055]
21-第一加湿器；
[0056]
31-第二加湿器。
具体实施方式
[0057]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0058]
在质子交换膜燃料电池中，由于水的因素而导致的质子交换膜工作效率下降，主要体现在两个方面：一是燃料电池的含水率，即，燃料电池内的水量；二是燃料电池内阳极与阴极之间的水量比例，由于电迁移、阳极与阴极之间的压力差之间等因素，使得阳极的水分向阴极迁移，因而导致膜干故障或水淹故障。
[0059]
为了避免膜干故障和水淹故障，并将燃料电池内的水量控制在较佳范围内，本发明提出了以下解决方案。
[0060]
实施例1
[0061]
请参照图1和图2，本实施例提出了一种质子交换膜燃料电池水平衡系统，燃料电池本体1、阳极进气单元2和阴极进气单元3；所述阳极进气单元2连接在所述燃料电池本体1的阳极，以向所述燃料电池本体1氢气；所述阴极进气单元3连接在所述燃料电池本体1的阴极，以向所述燃料电池本体1的阴极供应空气。具体地，对于阳极进气单元2和阴极进气单元3，可以是在现有结构上进行的改进，为了便于阐述实施方案，以下仅对改进之处和部分相同之处进行说明。
[0062]
具体地，所述阳极进气单元2上设有第一加湿器21，所述第一加湿器21用于给所述阳极进气单元2内的氢气加湿。具体实施时，即第一加湿器21被设置为加湿量可调的加湿器。通过第一加湿器21，对进入到燃料电池本体1的氢气进行加湿，进而实现向燃料电池本体1的阳极进行加湿。
[0063]
所述阴极进气单元3上设有第二加湿器31，所述第二加湿器31用于给所述阴极进气单元3内的空气加湿。具体实施时，即，第二加湿器31被设置为加湿量可调的加湿器。通过第二加湿器31，对进入到燃料电池本体1的空气进行加湿，进而实现向燃料电池本体1的阴极进行加湿。
[0064]
更进一步地，所述燃料电池本体1内设有第一湿度传感器11和第二湿度传感器12，所述第一湿度传感器11用于检测进入所述燃料电池本体1的氢气的湿度；所述第二湿度传感器12用于检测进入所述燃料电池本体1的空气的湿度。在具体实施时，第一湿度传感器11和第二湿度传感器12被用来检测进入燃料电池的气体的湿度，以用于计算以水分子的形态进入燃料电池本体1的水量。
[0065]
为了对燃料电池本体1内的水平衡状态进行预警及控制，本实施例还包括状态预警单元4和水平衡控制单元5。状态预警单元4用于对燃料电池的水平衡状态进行预警，并向水平衡控制单元5输出预警结果。水平衡控制单元5用于根据预警结果调节第一加湿器21、第二加湿器31以控制燃料电池内的水量。
[0066]
具体地，所述水平衡控制单元5与所述第一加湿器21、所述第二加湿器31、所述第一湿度传感器11、第二湿度传感器12和状态预警单元4电连接。所述状态预警单元4用于对所述燃料电池本体1内的水平衡状态进行预警；所述水平衡控制单元5用根据所述预警单元输出的预警结果，控制所述第一加湿器21和第二加湿器31的加湿量。
[0067]
在具体实施时，状态预警单元4实时获取第一加湿器21、所述第二加湿器31、所述第一湿度传感器11、第二湿度传感器12的检测结果，并根据检测结果进行预警，并输出预警结果。水平衡控制单元5用于根据预警结果实时调节燃料电池本体1的状态，以使燃料电池本体1处于较佳的水平衡范围内。
[0068]
在具体实施时，为了准确计算燃料电池内的水量及水平衡状态，本实施例还对排出的水进行监测，同时，对电迁移和压力作用下的水渗透进行计算。为此，本实施例还作了进一步的改进，具体地，所述燃料电池本体1内还设有第三湿度传感器13、第一压力传感器14、第二压力传感器15、第一流量计16、第二流量计17、第三流量计18和电流传感器19。
[0069]
具体地，所述第三湿度传感器13用于检测所述燃料电池本体的空气出口处的湿度。所述第三湿度传感器13安装在燃料电池本体1的空气出口处。
[0070]
所述第一压力传感器14用于检测所述燃料电池本体1阳极内的氢气压力；所述第一压力传感器14安装在所述燃料电池本体1的阳极处，在具体实施时，第一压力传感器14可以是多个，可以用多个第一压力传感器14检测结果的平均值作为燃料电池本体1阳极内的氢气压力。
[0071]
所述第二压力传感器15用于检测所述燃料电池本体1阴极内的空气压力；所述第二压力传感器15安装在所述燃料电池本体1的阴极处，在具体实施时，第二压力传感器15可以是多个，可以用多个第二压力传感器15检测结果的平均值作为燃料电池本体阴极内的氢气压力。
[0072]
所述第一流量计16用于检测进入所述燃料电池本体1的氢气进口的氢气流量。第一流量计16用于配合第一湿度传感器11的检测结果计算随氢气进入到燃料电池本体1内的水量。
[0073]
所述第二流量计17用于检测进入所述燃料电池本体1的空气进口的空气流量；第
二流量计17用于配合第二湿度传感器12的检测结果计算随空气进入到燃料电池本体1内的水量。
[0074]
所述第三流量计18用于检测从所述燃料电池本体1的空气出口排出的空气流量；第三流量计18用于配合第三湿度传感器13的检测结果计算由空气出口排出的水量。
[0075]
所述电流传感器19用于检测所述燃料电池本体1的电流；电池传感器用于根据检测到的电池，以计算由电迁移而导致的水量由阳极向阴极移动的水量。
[0076]
所述状态预警单元4分别与所述第一压力传感器14、所述第二压力传感器15、所述第一流量计16、所述第二流量计17和所述电流传感器19电连接。具体实施时，所述状态预警单元4可以是直接分别与所述第一压力传感器14、所述第二压力传感器15、所述第一流量计16、所述第二流量计17和所述电流传感器19电连接，也可以是通过所述水平衡控制单元5，分别与所述第一压力传感器14、所述第二压力传感器15、所述第一流量计16、所述第二流量计17和所述电流传感器19电连接。
[0077]
具体地，所述状态预警单元4根据所述第一压力传感器14、所述第二压力传感器15、所述第一流量计16、所述第二流量计17、所述第一湿度传感器11、所述第二湿度传感器12和所述第三湿度传感器13，对所述燃料电池本体1的水平衡状态进行预警，并将预警结果输出到所述水平衡控制单元5。
[0078]
具体地，所述状态预警单元4用于计算所述燃料电池本体1内的水量和水量变化率、阳极和阴极的水量比例以及水量比例变化率；根据所述燃料电池本体1内的水量、水量变化率、水量比例及水量比例变化率对水平衡状态进行预警。在具体实施时，可以是仅通过所述燃料电池本体1内的水量和阴极的水量比例来进行预警，也可以是通过燃料电池本体1内的水量和水量变化率、阳极和阴极的水量比例以及水量比例变化率进行预警。相比于仅通过燃料电池本体1内的水量和阴极的水量比例来进行预警，通过燃料电池本体1内的水量和水量变化率、阳极和阴极的水量比例以及水量比例变化率进行预警得到的预警结果更加超前和准确。
[0079]
以仅仅通过燃料电池本体1内的水量和阴极的水量比例来进行预警为例，在具体实施时，所述状态预警单元4根据进入燃料电池本体1的水量在工作时长上的积分、排出燃料电池的水量在工作时长上的积分、燃料电池在工作时产生水的速度在工作时长上的积分，计算燃料电池内的水量。具体地，所述燃料电池本体1内的水量通过以下公式计算，
[0080][0081]
其中，w
t
为燃料电池中的水量，ρ1为第一湿度传感器11的检测结果，q1为第一流量计16检测结果，ρ2为第二湿度传感器12的检测结果，q2为第二流量计17检测结果，ρ3为第三湿度传感器13的检测结果，q3为第三流量计18的检测结果；c为常系数，i为电流传感器19的检测结果。其中，关于常系数c，是通过电流与电荷量的关系及每电荷在穿过质子膜时所携带的水分子数相关。
[0082]
更进一步地，所述燃料电池本体1内的水量比例通过以下公式计算，
[0083][0084]
其中，ω为阳极与阴极的水量比例，ρ1为第一湿度传感器11的检测结果，q1为第一流量计16检测结果，ρ2为第二湿度传感器12的检测结果，q2为第二流量计17检测结果，ρ3为第三湿度传感器13的检测结果，q3为第三流量计18的检测结果；c为常系数，i为电流传感器19的检测结果，s为质子交换模的单侧面积，k为单位面积的质子交换模在单位压差下的渗透系数，p1为第一压力传感器14的检测结果，p2为第二压力传感器15的检测结果。在具体实施时，阳极的压力应当高于阴极的压力，以避免阴极的空气向流入到阳极。
[0085]
更具体地，所述状态预警单元4的预警结果包括：第一预警结果、第二预警结果、第三预警结果、第四预警结果和第五预警结果。第一预警结果、第二预警结果、第三预警结果、第四预警结果和第五预警结果分别用于表征不同的燃料电池水平衡状态。
[0086]
具体地，所述状态预警单元4还用于:
[0087]
在所述燃料电池本体1内的水量介于第一设定范围内，且所述水量比例介于第二设定范围内时，输出第一预警结果；即，第一预警结果用于表征水量及水量比例处于较佳范围内的状态。
[0088]
在所述燃料电池本体1内的水量小于所述第一设定范围的最小值时，输出第二预警结果；即，第二预警结果用于表征燃料电池本体1内水量过低的情况。
[0089]
在所述燃料电池本体1内的水量大于所述第一设定范围的最大值时，输出所述第三预警结果；即，第三预警结果用于表征燃料电池本体1内水量过多的情况。
[0090]
在所述燃料电池本体1内的水量比例小于所述第二设定范围的最小值时，输出所述第四预警结果；第四预警结果用于表征水量比例低过小的情况，即，阳极水量过多或阴极水量过少的情况。
[0091]
在所述燃料电池本体1内的水量比例大地所述第二设定范围的最大值时，输出所述第五预警结果。第五预警结果用于表征水量比例过大的情况，即阳极水量过多或阴极水量过少的情况。
[0092]
在具体实施，第二预警结果和第三预警结果是由燃料电池内的水量确定的，第四预警结果和第五预警结果是由水量比例确定的，因此，允许叠加出现的情况，如，第二预警结果与四预警结果叠加出现，第二预警结果与第五预警结果叠加出现，第三预警结果与第四预警结果叠加出现，第三预警结果与第五预警结果叠加出现。当叠加出现时，叠加实施对应的控制即可。
[0093]
具体地，当所述水平衡控制单元5获取到第一预警结果时，保持所述第一加湿器21、所述第二加湿器31的加湿量不变。此时，处于较佳的含水率，不需要通过控制进行改变。
[0094]
当所述水平衡控制单元5获取到第二预警结果时，按比例增大第一加湿器21的加湿量和第二加湿器31的加湿量。在实施时，此处所指的比例可以是一个允许的固定值，也可以是一个变化的值。当为变化的值时，该值可以根据水量比例来确定，以达到快速将水量及水量比例调节到最佳。
[0095]
当所述水平衡控制单元5获取到第三预警结果时，按比例减少第一加湿器21的加
湿量和第二加湿器31的加湿量，并增大阴极的排水量；在实施时，此处所指的比例可以是一个允许的固定值，也可以是一个变化的值。当为变化的值时，该值可以根据水量比例来确定，以达到快速将水量及水量比例调节到最佳。
[0096]
当所述水平衡控制单元5获取到四预警结果时，增大所述燃料电池本体1的阴极气体压力，以减少阳极气体与阴极气体的压力差；当所述水平衡控制单元5获取到第五预警结果时，减少所述燃料电池本体1的阴极气体压力，以增大阳极气体与阴极气体的压力差。在具体实施时，阳极气体压力，可以根据发电功率需求来确定，阴极气体压力的控制，一方面要满足上述控制需求，同时还要满足阳极气体压力大于阴极气体压力。
[0097]
在具体实施时，当利用水量变化率和水量比例变化率参与预警时，可以在第一设定范围内侧的两端设置第一缓冲区域，在第一缓冲区域内，判断水量变化率是否过大或过小，当水量变化率过大或过小时，即，当处于第一缓冲区域内时，通过水量变化率来判断是否存在即将超出第一设定范围内的趋势，以实现提前判断及预警。
[0098]
同时，在第二设定范围内侧的两端设置第二缓冲区域，在第二缓冲区域内，判断水量比例的变化率是否过大或过小，当水量变化率过大或过小时，即，当处于第二缓冲区域内时，通过水量比例的变化率来判断是否存在即将超出第二设定范围内的趋势，以实现提前判断及预警。
[0099]
实施例2
[0100]
请参照图3，本实施例提出了一种质子交换膜燃料电池水平衡控制方法，包括以下步骤，
[0101]
s1，采集燃料电池本体1阳极内的氢气压力、燃料电池本体1阴极内的空气压力、燃料电池本体1的氢气进口的氢气流量、燃料电池本体1的空气进口的空气流量、燃料电池本体1的空气出口排出的空气流量和燃料电池本体1的电流；
[0102]
s2，通过在时间长度上进行积分，计算燃料电池内的水量和水量比例；
[0103]
s3，根据水量和水量比例的变化，对燃料电池的水平衡状态进行估算，并输出对应的预警结果；
[0104]
s4，根据预警结果调节燃料电池本体1的加湿量、压力及阴极排水量。
[0105]
在具体实施时，本步骤是在实施例1的基础上实现的。因而，对于本实施例未提及之处，也可以参照实施例1的实现方式。
[0106]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池水平衡系统，燃料电池本体、阳极进气单元和阴极进气单元；所述阳极进气单元连接在所述燃料电池本体的阳极，以向所述燃料电池本体氢气；所述阴极进气单元连接在所述燃料电池本体的阴极，以向所述燃料电池本体的阴极供应空气；其特征在于：所述阳极进气单元上设有第一加湿器，所述第一加湿器用于给所述阳极进气单元内的氢气加湿；所述阴极进气单元上设有第二加湿器，所述第二加湿器用于给所述阴极进气单元内的空气加湿；所述燃料电池本体内设有第一湿度传感器和第二湿度传感器，所述第一湿度传感器用于检测进入所述燃料电池本体的氢气的湿度；所述第二湿度传感器用于检测进入所述燃料电池本体的空气的湿度；还包括状态预警单元和水平衡控制单元；所述水平衡控制单元与所述第一加湿器、所述第二加湿器、所述第一湿度传感器、第二湿度传感器和状态预警单元电连接；所述状态预警单元用于对所述燃料电池本体内的水平衡状态进行预警；所述水平衡控制单元用根据所述预警单元输出的预警结果，控制所述第一加湿器和第二加湿器的加湿量。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述燃料电池本体内还设有第三湿度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计、第二流量计、第三流量计和电流传感器；所述第三湿度传感器用于检测所述燃料电池本体的空气出口处的湿度；所述第一压力传感器用于检测所述燃料电池本体阳极内的氢气压力；所述第二压力传感器用于检测所述燃料电池本体阴极内的空气压力；所述第一流量计用于检测进入所述燃料电池本体的氢气进口的氢气流量；所述第二流量计用于检测进入所述燃料电池本体的空气进口的空气流量；所述第三流量计用于检测从所述燃料电池本体的空气出口排出的空气流量；所述电流传感器用于检测所述燃料电池本体的电流；所述状态预警单元分别与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一流量计、所述第二流量计和所述电流传感器电连接；所述状态预警单元根据所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一流量计、所述第二流量计、所述第一湿度传感器、所述第二湿度传感器和所述第三湿度传感器，对所述燃料电池本体的水平衡状态进行预警，并将预警结果输出到所述水平衡控制单元。3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述状态预警单元用于计算所述燃料电池本体内的水量和水量变化率、阳极和阴极的水量比例以及水量比例变化率；根据所述燃料电池本体内的水量、水量变化率、水量比例及水量比例变化率对水平衡状态进行预警。4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述状态预警单元根据进入燃料电池本体的水量在工作时长上的积分、排出燃料电池的水量在工作时长上的积分、燃料电池在工作时产生水的速度在工作时长上的积分，计算燃料电池内的水量。5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述燃料电池
本体内的水量通过以下公式计算，其中，w
t
为燃料电池中的水量，ρ1为第一湿度传感器的检测结果，q1为第一流量计检测结果，ρ2为第二湿度传感器的检测结果，q2为第二流量计检测结果，ρ3为第三湿度传感器的检测结果，q3为第三流量计的检测结果；c为常系数，i为电流传感器的检测结果。6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述燃料电池本体内的水量比例通过以下公式计算，其中，ω为阳极与阴极的水量比例，ρ1为第一湿度传感器的检测结果，q1为第一流量计检测结果，ρ2为第二湿度传感器的检测结果，q2为第二流量计检测结果，ρ3为第三湿度传感器的检测结果，q3为第三流量计的检测结果；c为常系数，i为电流传感器的检测结果，s为质子交换模的单侧面积，k为单位面积的质子交换模在单位压差下的渗透系数，p1为第一压力传感器的检测结果，p2为第二压力传感器的检测结果。7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述状态预警单元的预警结果包括：第一预警结果、第二预警结果、第三预警结果、第四预警结果和第五预警结果；当所述水平衡控制单元获取到第一预警结果时，保持所述第一加湿器、所述第二加湿器的加湿量不变；当所述水平衡控制单元获取到第二预警结果时，按比例增大第一加湿器的加湿量和第二加湿器的加湿量；当所述水平衡控制单元获取到第三预警结果时，按比例减少第一加湿器的加湿量和第二加湿器的加湿量，并增大阴极的排水量；当所述水平衡控制单元获取到四预警结果时，增大所述燃料电池本体的阴极气体压力，以减少阳极气体与阴极气体的压力差；当所述水平衡控制单元获取到第五预警结果时，减少所述燃料电池本体的阴极气体压力，以增大阳极气体与阴极气体的压力差。8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池水平衡系统，其特征在于：所述状态预警单元还用于，在所述燃料电池本体内的水量介于第一设定范围内，且所述水量比例介于第二设定范围内时，输出第一预警结果；在所述燃料电池本体内的水量小于所述第一设定范围的最小值时，输出第二预警结果；在所述燃料电池本体内的水量大于所述第一设定范围的最大值时，输出所述第三预警结果；
在所述燃料电池本体内的水量比例小于所述第二设定范围的最小值时，输出所述第四预警结果；在所述燃料电池本体内的水量比例大地所述第二设定范围的最大值时，输出所述第五预警结果。9.一种质子交换膜燃料电池水平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤，采集燃料电池本体阳极内的氢气压力、燃料电池本体阴极内的空气压力、燃料电池本体的氢气进口的氢气流量、燃料电池本体的空气进口的空气流量、燃料电池本体的空气出口排出的空气流量和燃料电池本体的电流；通过在时间长度上进行积分，计算燃料电池内的水量和水量比例；根据水量和水量比例的变化，对燃料电池的水平衡状态进行估算，并输出对应的预警结果；根据预警结果调节燃料电池本体的加湿量、压力及阴极排水量。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池水平衡系统及控制方法，其中该系统包括，燃料电池本体、阳极进气单元和阴极进气单元；阳极进气单元上设有第一加湿器；阴极进气单元上设有第二加湿器；燃料电池本体内设有第一湿度传感器和第二湿度传感器，第一湿度传感器用于检测进入燃料电池本体的氢气的湿度；第二湿度传感器用于检测进入燃料电池本体的空气的湿度；还包括状态预警单元和水平衡控制单元；水平衡控制单元与第一加湿器、第二加湿器、第一湿度传感器、第二湿度传感器和状态预警单元电连接。本发明够保持质子交换膜燃料电池内的水平衡，使燃料电池的含水率处于较佳的水平。使燃料电池的含水率处于较佳的水平。使燃料电池的含水率处于较佳的水平。


技术研发人员：周稼铭 何洪文 张俊玲 王春林 张金明 衣丰艳 胡东海 李建威 张财志 张智明 李宁 王磊 邓波 蒋尚峰 范志先
受保护的技术使用者：潍坊科技学院
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/24