质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化层、阴极催化层和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。
通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。
01
存在问题
由于质子交换膜中的质子必须结合一定数量的水分子后才能进行传递，所以其电导率与含水量有关，这取决于湿润反应气体中的水、阴极反应生成的水及质子从阳极到阴极携带的水。若膜内水含量适中，不但电导率达到最佳值，而且内阻也会降到最小。但若水的含量过多，则会堵塞流道，发生水淹，故控制燃料电池内部的含水量是非常必要的。
在大多燃料电池车辆中，用增湿器来对入堆气体的湿度进行控制，由于增湿器是被动型的，故在某些工况下(比如长时间以一定的功率，即一定的电流密度下运行)增湿器湿侧中可能累积过量的水，过量的水会导致增湿器的效率降低，同时水也会渗透到干侧，某些工况下，大量的水会被吹入电堆从而影响燃料电池系统的性能，在冬季也会发生增湿器中的水冻结的可能。所以需要一种有效控制增湿器湿侧内水量的方法，解决水积聚问题的同时保持合适的入堆空气湿度。
02
专利方案
本专利提出了计算增湿器中湿侧水量的公式，如图1所示，即增湿器中的水量=阴极生成的水量-排出的空气带走的水量+阳极排出的水量(由于现代排水阀排水口设置在增湿器湿入，故阳极排出的水也进入了增湿器)。
图1. 增湿器湿侧水量计算公式
其中S510为计算电堆阴极生成的水量的方法，如图2 所示：
图2.计算阴极生成水量的方法
燃料电池的反应公式，阳极：H2→2H++2e-；阴极：1/2O2+2e-+2H+→H2O；即产生2mol电子，即生成1mol水，电子跟水的比为2：1；再根据电流=电荷量/时间，即可计算得出每秒生成的水量。
其中S540、S530、S550为计算空气路排出的水量，如图3所示：
图3.空出排水量计算
在运行的系统中获取空压机转速以及背压阀的角度计算空气流量后，由空气流量及电堆温度查表得出排出的水量后再用车辆角度影响系数进行修正后得到排出的水量。
其中S520为计算排水阀排水量的方法，如图4所示：
图4.排水阀排水量计算
通过排水阀排水压力排水次数及时间来计算排水阀排出的总水量。
该专利同时也指出了通过计算增湿器内的含水量后，如何来进行增湿器内的排水控制，如图5所示：
图5.增湿器内水量过多控制方法
S410:计算增湿器内的含水量；
S420:判断车辆是否处于行驶状态，行驶则跳转S430,否则跳转S421；
S430:判断入堆湿度是否合适，过干则跳转S431,合适则跳转S440；
S431:判断增湿器内的水含量是否≥第二阈值，是则跳转S432，否则返回S410；
S432:启动增湿器内的加热器；
S440:判断增湿器内的水量是否≥第一阈值，是则跳转S441，否则返回S410；
S441:判断车辆是否为制动状态，是则跳转S442，否则返回S410；
S442:增加空压机转速，将水排出；
S421:判断增湿器内的水含量是否≥第二阈值，是则跳转S422，否则结束；
S422:增加空压机转速，将水排出。
178 0012 6383