[发明专利]一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法

权利要求书

1.一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理方法，其特征在于：所述方法采用热管理系统实现，所述热管理系统包括阴极开放式燃料电池、外接负载、PC上位机、ArduinoNano开发板、温度传感器、直流电机PWM调速模块和直流风扇组；所述阴极开放式燃料电池与外接负载连接，用以为外接负载供电；所述温度传感器用于读取所述阴极开放式燃料电池的温度信息；所述ArduinoNano开发板分别与所述温度传感器和所述上位机连接，用以将所述温度传感器读取的温度信息通过所述ArduinoNano开发板上传到所述PC上位机进行实时监控，并通过所述PC上位机将带有时滞信息的控制器计算程序下载至所述ArduinoNano开发板中以实时计算控制率；所述ArduinoNano开发板还与所述直流电机PWM调速模块连接，所述直流电机PWM调速模块还与所述直流风扇组连接，用以将ArduinoNano开发板实时计算的控制率以PWM信号传至直流电机PWM调速模块对所述直流风扇组进行转速控制，进而对电堆温度有效控制以实现燃料电池热管理；所述管理方法包括以下步骤：

步骤S1：针对阴极开放式燃料电池热特性搭建考虑燃料电池电堆电压与含水量关系的电堆温度动态描述模型，用以描述电堆温度的动态变化特性；

步骤S2：通过电堆温度动态描述模型中可测物理量包括电堆温度和控制输入的时滞信息设计燃料电池电堆热管理控制器，利用时滞信息能够消除燃料电池温度数学模型中的不确定性和包括环境温度和工作电流在内的已知干扰与未知扰动；

步骤S3：采用燃料电池电堆温度及其变化率观测系统，来估计燃料电池电堆温度及其变化率，并将观测后的电堆温度及其变化率代入燃料电池电堆热管理控制器控制率中以减小温度测量噪声对阴极开放式燃料电池热稳定性的影响：

步骤S1中所述阴极开放式燃料电池电堆电压与含水量两者关系为：

V_st＝n_cellV_cell＝n_cell(E_nernst(T_st)-V_act(T_st,i_st,s_CCL)-V_ohm(T_st,i_st)-V_con(i_st))；

其中，n_cell是燃料电池单体数量，V_cell是燃料电池单体电压，T_st是电堆温度，i_st是电堆电流，S_CCL是阴极催化层含水量，E_nernst、V_act、V_ohm和V_con分别是能斯特电压、活化极化电压、欧姆极化电压和浓度极化电压，采用以下公式描述：

V_ohm(T_st,i_st)＝i_st(R_M(i_st,T_st)+R_C)；

V_con(i_st)＝-Cln(1-i_st/i_max)；

其中，P_H2是氢气压强，P_O2是氧气压强，R，a，n，C和F均为系统常数，R_M和R_C分别是电子和质子穿过膜时的阻抗，i₀(T_st,S_CCL)是交换电流密度，通过以下公式确定：

其中，R，a，n，和F均为系统常数，i_ref是内部电流密度，T_ref是参考环境温度，A_opt和S_opt分别是最佳电极表面粗糙度和最佳液态水饱和度，ΔG是电池活化阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理方法，其特征在于：所述温度传感器采用的是微型热电偶。

3.根据权利要求1所述的一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理方法，其特征在于：所述直流电机PWM调速模块采用的是型号为XH-M222的调速模块。