一種燃料電池輸出性能的尋優方法技術

本發明專利技術提出了一種燃料電池輸出性能的尋優方法，針對傳統方法以電堆外部參數為尋優指標，考慮內阻可以真實反應電堆內部的水熱狀態，選取內阻作為輸出性能尋優的特性指標；首先，根據等效電路模型，建立了電堆各段內阻與溫濕度操作條件機理模型，進而獲得總內阻與操作條件關系模型；其次，由于電堆內部溫濕度存在耦合特性，建立了溫濕度之間解耦模型；再次，將解耦模型代入總內阻模型當中，得到內阻的溫濕度解耦模型，使用該模型進行輸出性能仿真尋優實驗；最后，選取十個電流密度點，以總內阻最小為尋優原則，得到定電流密度下對應的最佳溫濕度值，并對最佳溫濕度隨電流密度變化的趨勢進行分析，建立經驗模型，為后續控制提供基礎與參考。

Method for optimizing output performance of fuel cell

The invention provides a method for optimizing fuel cell performance, the traditional method to stack external parameters as the optimization index, considering the resistance can reflect the true stack of heat and water inside, selected as the output resistance characteristics and performance optimization; first of all, according to the equivalent circuit model, each stack model the resistance and temperature and humidity operating condition mechanism is established, and then obtain the relationship between the total resistance and the operation condition model; secondly, the internal stack temperature and humidity coupling characteristics, a decoupling model between temperature and humidity; thirdly, the model decoupling model into the total resistance, get the temperature and humidity decoupling model of resistance, by using the model output the performance simulation optimization experiment; finally, select ten current density, the total resistance minimum as the optimization principle, obtained under the optimal current density Value of temperature and humidity, and analyze the trend of the change of the best temperature and humidity with the current density, and establish the empirical model to provide the basis and reference for the follow-up control.

【技術實現步驟摘要】
一種燃料電池輸出性能的尋優方法
：本專利技術涉及一種水冷型質子交換膜燃料電池的輸出性能優化方法。
技術介紹
：21世紀將是能源和環保的世紀，能源的開發、資源的利用與環境保護相互協調的發展，將是21世紀世界經濟發展的基礎。隨著世界經濟的快速發展，傳統的化石能源(煤、石油、天然氣)正在減少，世界能源組織調查顯示，以現有的能源資源儲量，石油不出幾十年就會消耗殆盡，煤也只能供人類用200年左右。另外，隨著人類物質文明的進步，人類對自身生活質量的要求也越來越高，而傳統能源的消耗造成了嚴重的環境污染，光化學煙霧、空氣污染、酸雨、全球變暖以及水污染都與化石能源的使用有關。傳統能源結構及利用方式越來越難以適應人類生存發展的需要。新的能源利用技術將不斷的被開發并利用起來，燃料電池就是一種潛力巨大的新能源。燃料電池是一種可以利用氫這種新型能源作燃料，不經過燃燒過程的低污染、高效的發電裝置，被譽為是繼火力發電、水力發電、原子能發電之后的第四大發電裝置。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實際上他不能“儲電”，而是一個“發電廠”。在發電過程中，它具有能量轉換效率高、低溫快速啟動、低熱輻射和低排放、運行噪聲低、適應不同功率要求等一系列優點，具有非常好的應用前景。經過各國科學家的不懈努力，各種類型的燃料電池發電技術均得到不同程度的示范，并取得了長足的進步。在燃料電池的實際工作中，其輸出性能的好壞受堆內操作條件的影響很大，操作條件通過影響電化學反應速率以及質子與反應物的傳輸影響電堆的輸出性能。操作條件異常可能導致燃料電池電堆處于“膜干”和“水淹”的極端異常狀況下，嚴重的可能導致電堆永久性的損壞；因此研究操作條件對電堆輸出性能的影響具有重要意義。傳統的燃料電池輸出性能尋優方法一般采用V-I特性曲線法，以檢測外部參數(電壓、功率)為尋優標準，該種方法雖然操作簡單易于實施，對裝置的要求不高，但是誤差很大，且外部輸出參數并不能代表電堆內部真實水熱管理狀態。而內阻是電堆內部特性參數，與堆內水熱管理狀況直接相關；本文使用改進型EIS法檢測內阻，通過內阻來探究操作條件與輸出性能的內在關系。
技術實現思路
：本專利技術是針對傳統的燃料電池輸出性能尋優方法以外部輸出參數(電壓、電流、功率)為優化指標而提出的，因為外部輸出參數并不能直觀的反應電堆內部的真實反應狀況，不能深入的研究燃料電池堆內部的工作機理；內阻作為電堆內部特性參數，與電堆內真實的水熱管理狀況直接相關，故本專利技術對內阻與燃料電池輸出性能之間的關系進行了深入研究；首先，根據等效電路模型，建立了電堆各段內阻與溫濕度操作條件機理模型，進而獲得總內阻與操作條件關系模型；其次，考慮到電堆內部溫濕度之間存在耦合特性，建立了電堆溫濕度特性關系解耦模型；再次，將溫濕度特性解耦模型代入總內阻模型當中，得到內阻的溫濕度解耦模型，使用該模型進行輸出性能仿真尋優實驗；最后，選取10個電流密度點，以總內阻最小為尋優原則，得到定電流密度下對應的最佳溫濕度大小，并對最佳溫濕度隨電流密度變化趨勢分析，建立經驗模型，為后續控制提供基礎與參考；步驟一：根據等效電路模型，燃料電池電堆內部極化電壓產生的根本原因是活化內阻Rf、歐姆內阻Rm、濃差內阻Rd等阻抗的存在，通過機理建模的方式，分別建立各段內組與溫濕度操作條件的模型，如下所示：Rf＝f(Tstack，RHstack，i)(1)Rm＝f′(Tstack，RHstack，i)(2)Rd＝f″(Tstack，RHstack，i)(3)其中，Tstack為電堆溫度，K；RHstack為電堆相對濕度；由于燃料電池工作時輸出為直流電，故不用考慮容性阻抗等復阻抗的影響，根據等效電路模型，有：Rstack＝Rf+Rm+Rd＝F(Tstack，RHstack，i)(4)步驟二：溫濕度之間存在耦合特性，溫度的變化會對濕度產生影響，從而改變各段內組值大小，進而影響總內阻Rstack；本專利從電堆含水量穩態模型入手，深入的研究了溫濕度之間的耦合機理；電堆內部含水量Wstack存在穩態平衡，可用下式描述：其中Wg為電化學反應生成的水汽，分別為陰陽極進氣含有的水蒸氣，為尾氣排放帶走的水汽；當影響電堆內部含水量的各控制變量如進氣加濕度，尾氣排放時間均恒定不變時，Wg、分別滿足如下關系：Wg＝W1(i)(6)假設電堆內部均為氣態水，則電堆含水量Wstack與相對濕度RHstack滿足式9所示關系：RHstack＝W(Wstack，Tstack)(9)將式6、7、8、9代入式5中，經多項式合并化解，得到相對濕度RHstack與溫度Tstack和電流密度i的關系如式10，通過式10可以探究電堆在不同工作電流下溫度對濕度的影響；RHstack＝f(Tstack，i)(10)步驟三：將式10代入式4，將式4中的濕度用溫度和電流密度取代，就可以得到一個在影響濕度的控制變量恒定的前提下，考慮到溫濕度耦合關系的燃料電池溫度尋優模型，如式11所示，可用該模型進行燃料電池溫度仿真尋優實驗；Rstack＝g[Tstack，f(Tstack，i)，i](11)又由于電堆工作時溫度對濕度影響很大，而濕度對溫度的影響很小，故濕度尋優模型近似忽略溫濕度耦合情況的影響，只需將式4中的溫度設為定值即可，濕度尋優模型如式12：Rstack＝g′(RHstack，i)(12)步驟四：分別對模型11，12進行仿真尋優實驗，在活化、歐姆、濃差段分別選取3、4、3共10個電流密度點，以總內阻最小為仿真尋優原則，分別確定這10個電流點所對應的最佳溫濕度大小；并通過對最佳溫濕度隨電流密度變化趨勢的分析，建立最佳溫濕度與電流密度的經驗模型，如式13、14：T優＝G(i)(13)RH優＝G′(i)(14)使用遺傳算法對模型13、14中的參數進行優化，提高模型精度；這樣，結合相應的控制算法，以優化后的式13、14中的最佳溫濕度為控制目標，通過使燃料電池始終工作在其任意階段的最優操作條件工況下，可以很大程度的降低其各阻抗損耗，優化輸出性能。附圖說明：圖1為整體尋優流程圖圖2為活化段電堆總內阻隨溫度變化的仿真曲線圖3為歐姆段電堆總內阻隨溫度變化的仿真曲線圖4為濃差段電堆總內阻隨溫度變化的仿真曲線圖5為活化段電堆總內阻隨濕度變化的仿真曲線圖6為歐姆段電堆總內阻隨濕度變化的仿真曲線圖7為濃差段電堆總內阻隨濕度變化的仿真曲線圖8為最佳溫度模型與仿真點對比圖圖9為最佳濕度模型與仿真點對比圖具體實施方法：本專利技術是針對傳統的燃料電池輸出性能尋優方法以外部輸出參數(電壓、電流、功率)為優化指標而提出的，因為外部輸出參數并不能直觀的反應電堆內部的真實反應狀況，不能深入的研究燃料電池堆內部的工作機理；內阻作為電堆內部特性參數，與電堆內真實的水熱管理狀況直接相關，故本專利技術對內阻與燃料電池輸出性能之間的關系進行了深入研究；首先，根據等效電路模型，建立了電堆各段內阻與溫濕度操作條件機理模型，進而獲得總內阻與操作條件關系模型；其次，考慮到電堆內部溫濕度之間存在耦合特性，建立了電堆溫濕度特性關系解耦模型；再次，將溫濕度特性解耦模型代入總內阻模型當中，得到內阻的溫濕度解耦模型，使用該模型進行輸出性能仿真尋優實驗；最后，選取10個電流密度點，以總內阻最小為尋優原則，得到定電流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池輸出性能尋優方法，其特征在于：選取內阻作為輸出性能的尋優指標，通過機理建模的方式，建立了燃料電池堆內阻與操作條件模型，操作條件之間解耦模型，以總內阻最小為尋優原則，進行定電流下仿真尋優實驗，確定每個電流密度下所對應的最佳溫濕度操作條件，并通過對最佳溫濕度隨電流密度變化規律的分析，建立最佳溫濕度與電流密度經驗模型，為后續控制提供基礎與參考，具體包括以下步驟：步驟一：根據燃料電池等效電路模型，電堆內部極化電壓產生的根本原因是活化內阻R

【技術特征摘要】
1.一種燃料電池輸出性能尋優方法，其特征在于：選取內阻作為輸出性能的尋優指標，通過機理建模的方式，建立了燃料電池堆內阻與操作條件模型，操作條件之間解耦模型，以總內阻最小為尋優原則，進行定電流下仿真尋優實驗，確定每個電流密度下所對應的最佳溫濕度操作條件，并通過對最佳溫濕度隨電流密度變化規律的分析，建立最佳溫濕度與電流密度經驗模型，為后續控制提供基礎與參考，具體包括以下步驟：步驟一：根據燃料電池等效電路模型，電堆內部極化電壓產生的根本原因是活化內阻Rf、歐姆內阻Rm、濃差內阻Rd等阻抗的存在，通過機理建模的方式，分別建立各段內阻與溫濕度操作條件的模型，如下所示：Rf＝f(Tstack，RHstack，i)(1)Rm＝f′(Tstack，RHstack，i)(2)Rd＝f″(Tstack，RHstack，i)(3)其中，Tstack為電堆溫度，K；RHstack為電堆相對濕度；由于燃料電池工作時輸出為直流電，故不用考慮容性阻抗等復阻抗的影響，根據等效電路模型，有：Rstack＝Rf+Rm+Rd＝F(Tstack，RHstack，i)(4)步驟二：溫濕度之間存在耦合特性，溫度的變化會對濕度產生影響，從而改變各段內組值大小，進而影響總內阻Rstack；本專利從電堆含水量穩態模型入手，對溫濕度之間的耦合機理進行深入的研究；電堆內部含水量Wstack存在穩態平衡，可用下式描述：其中Wg為電化學反應生成的水汽，分別為陰陽極進氣含有的水蒸氣，為尾氣排放帶走的水汽；當影響電堆內部含水量的各控制變量如進氣加濕度，尾氣排放時間均恒定不變時，Wg、分別滿足如下關系：Wg＝W1(i)(6)假設電堆內部均為氣態水，則電堆含水...

【專利技術屬性】
技術研發人員：衛東，高志，
申請(專利權)人：中國計量大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33