[发明专利]质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统

权利要求书

1.质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，包括步骤：

1)采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；

2)根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；

3)通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；

4)建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；

5)利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述的阴极压降值用于反应质子交换膜燃料电池流道内部含水量及作为质子交换膜燃料电池水故障在线诊断的指标。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失Δp分为沿程损失Δp_f和局部损失Δp_j，如式(1)：

Δp＝Δp_f+Δp_j (1)

经理论推导后，建立如下的阴极单相流压降模型：

Δp＝k₁Iλ+k₂(Iλ) (2)

其中，

上式中，R_m为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，p_in为进口蒸气压，p_sat为饱和蒸气压，A_in为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，D_h为流道水力直径，A为流道横截面积，n为流道数目，I表示电流密度，k₁为一次项系数，k₂为二次项系数。

4.根据权利要求1或3所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，利用遗传与粒子群优化混合算法得到阴极单相流压降模型参数综合的局部损失系数ζ的值。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，利用阴极单相流压降模型计算两相流稳态压降值和2倍阴极单相流压降值，分别作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线；将指定工况下的实际压降值与两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，判断此时质子交换膜燃料电池内部水状态。

6.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程如下：

步骤A)，通过压降-流速曲线拟合出k₁、k₂，得到阴极单相流压降模型中压力损失的计算方程式；

步骤B)，获得任意恒电流运行模式下压降-时间曲线，找出稳态压降值并计算等效水膜厚度；

步骤C)，计算指定工况下的两相流稳态压降值及2倍阴极单相流压降值，其中，两相流稳态压降值通过将阴极单相流压降模型中的流道横截面积和水力直径替换为剔除水膜后的流道横截面积和水力直径得到；两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线，2倍阴极单相流压降值作为质子交换膜燃料电池的阴极缺水预警线；

步骤D)，将指定工况下实际压降值与计算得出的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，实际压降值若高于两相流稳态压降控制线，则故障诊断为水淹；若低于阴极缺水预警线，则故障诊断为膜干；若位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池内部含水量处于正常范围内。