成果简介

质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。

燃料电池内部水含量过多或过少，都会对燃料电池的性能有不利的影响。在某一固定工况下，内部水含量过低时，质子交换膜的质子传导率下降，由质子传输导致的电压降增大，导致系统的输出电压下降，效率变低。内部水含量过低还可能影响燃料电池内部质子交换膜、催化剂层和气体扩散层等各层之间的接触，导致耐久性下降。内部水含量过高时，则会出现“水淹”现象，即燃料电池内部出现液态水，阻碍了反应气体的传输导致缺气，电池性能下降。

质子交换膜燃料电池的水管理问题中，水含量的估计是关键问题。由于燃料电池结构精细，内部结构均为几十到几百微米厚的薄层，在实验室当中可以采用中子成像、透明燃料电池等方法测量内部水含量，但难以实现精确地定量测量，并且无法应用到车用系统当中。实际应用中难以直接测量内部水含量，只能通过其他方法对水含量进行间接估计。现有的燃料电池水含量在线估计方法中，基于气体压力降的方法仅适用于估计有液态水的比较湿的情况，且需要针对特定燃料电池进行工作量较大的实验标定。基于交流阻抗的水含量估计方法没有考虑除膜电极以外阻抗的影响，仅能定性表示水含量高低。

本成果提供两种能够实现燃料电池内部水含量在线估计的方法。第一种基于燃料电池内部水含量会影响电堆排气背压的原理，通过阴阳极的排气背压在线辨识出阴阳极排气中的水浓度，并进一步设计卡尔曼滤波算法估计燃料电池膜内水含量和催化剂层的水含量。第二种方法建立了燃料电池阴极两腔模型，基于该模型设计无迹卡尔曼滤波器；根据燃料电池的平均电流密度、平均电压、阴极空气供给流量等参数，算两腔模型中状态变量的估计值，最后根据状态变量的估计值确定燃料电池的水含量。

在水含量控制与调节方面，本成果首先建立了燃料电池单片输出电压模型，在一个确定的工况下，根据该模型确定阳极和阴极的多余增湿分界线，并通过这两条分界线共同确定燃料电池增湿参数图。在燃料电池运行的过程中，还需要对内部水含量进行实时控制。在通过上述方法估算内部水含量后，若水含量不处于正常范围，则通过调整尾排阀控制信号的占空比和阳极循环泵的转速，调节水含量到正常范围。根据调整后的尾排阀控制信号的占空比、阳极循环泵的转速以及阳极侧目标压力，计算用于控制氢气喷射电磁阀的控制信号的占空比，调整氢气喷射流量，用于补偿质子交换膜两侧的压差波动。

应用前景

本成果可应用于质子交换膜燃料电池领域，用于燃料电池水含量的估计和调节。

知识产权

本成果核心技术涉及7项发明专利。

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