[发明专利]一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法。

背景技术

随着全球变暖问题的日益加剧和世界环境的不断恶化，新能源的利用备受重视。燃料电池由于其高效、洁净、无噪声、功率范围广等优点，被视为一种极具发展前景的新能源技术。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快速、无污染等特点，已被广泛应用于移动电源、家用电源、混合动力车辆、分布式电站等相关领域中。

PEMFC系统在实际运行中需要根据负载的变化及电堆本身的运行情况等条件，对反应气体的流量、压力等相关参数进行实时调节，具有多输入、多输出的强非线性，强耦合性，明显的滞后性和随机性等特点。

当被驱动负载发生变化时，电堆电流会相应的变化，此时如果阴极空气供给量处于过低或者过高的状态下，那么空气在流经电堆阴极入口后，分配到每一个单片电池时的流速、压力则会产生较为明显的差别，在相应的工作电流下，各个单片电池对氧化剂的消耗量则会不同，从而造成各单片电池之间性能的差异，从外部表现来看则是各个单片电池的输出电压的差别。而且相较于电堆阳极侧氢气供给子系统，阴极侧空气供应子系统的响应速度较慢，在处于负载变化速率较快的暂态状态下，空气的供给极易出现不足或者超限的问题，这样也势必造成单片电池之间的电压均衡性较差，并且难以解决，大大影响电堆的使用寿命。

目前国内外已经开展了有关上述现象的研究，并针对“氧饥饿”和系统净输出功率提出了系统过氧比(Oxygen Excess Ratio，OER)的概念，但具体的研究成果仍相对较少。

在现有的控制方法中，最优控制、神经网络控制、预测控制等控制方法已应用于基于氧饥饿现象动态模型设计的控制器中，但都只是考虑了如何避免氧饥饿现象，对氧气超限供给对系统功耗的影响，以及单片电池之间的电压均衡问题并未做考虑。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法，旨在解决现有燃料电池空气过量系数控制方法存在的无法实现单片电池之间电压均衡的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种水冷PEMFC空气过量系数控制方法，该水冷PEMFC空气过量系数控制方法包括以下步骤：

步骤一，水冷型燃料电池系统工作时，调节电子负载到电堆允许的某一电流值I₁，调节空气过量系数为λ₁，记录各单片电池电压值，计算单片电池电压均衡性C_v；

步骤二，重复调节参数空气过量系数λ共m次，记录每一次得到的C_vm，C_v与λ的关系进行曲线拟合，得到关系曲线C_v＝f(λ)；

步骤三，在电堆输出电流允许范围内调节电堆输出电流n次，重复上述操作过程，得到输出电流I_n条件下的C_v与λ的关系曲线C_v＝f_n(λ)；

步骤四，取得到的不同电流值对应的C_v与λ的关系曲线中的C_v最小值点C_vmin与所对应的λ值进行曲线拟合，得到C_v最小条件下的电堆输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；

步骤五，将得到的曲线λ＝g(I)作为水冷PEMFC阴极侧空气过量系数控制策略依据，实时调节空气过量系数，实现对水冷PEMFC单片电池电压均衡性的直接控制。

进一步，质子交换膜燃料电池PEMFC电压均衡性定义为:在某一输出条件下，质子交换膜燃料电池各单片电池电压与平均电压之间的偏离程度，即C_v，其中Vi为单片电池电压，i为电池序号数，为单片电池平均电压。

进一步，PEMFC电堆阴极侧空气过量系数λ的设定值要满足电堆参数中的允许范围。

进一步，PEMFC电堆输出电流的设定要不大于电堆允许的最大输出电流值。

进一步，该水冷PEMFC空气过量系数控制方法的水冷PEMFC空气过量系数控制系统，包括：PEMFC电堆、电子负载、电流传感器、数据采集卡、上位机、控制器、质量流量计；

质量流量计，连接PEMFC电堆，用于调节PEMFC电堆所需的空气流量；

电流传感器，用于感受PEMFC电堆电流信息，并能将检测感受到的信息变换成为电信号输出至电子负载和数据采集卡；