[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

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统。本发明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，通过遗传与粒子群优化混合算法完成所建立的压降模型的参数辨识，建立各式水故障类型与压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池电堆内部水状态，最后利用自适应模糊PID控制其含水量保持在正常范围内，从而实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。本发明能够在线准确判断水故障类型，利用自适应模糊PID控制器实现复杂系统的简单控制并能取得良好的控制效果，有效保证质子交换膜燃料电池运行的稳定性。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及质子交换膜燃料电池的故障处理，尤其是一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统。

背景技术

电力是能源技术的核心。在电力工业中目前占据主导地位的火力发电存在许多弊端，例如受卡诺循环及设备材料的限制，发电效率只有33％～35％；传统能源的利用对环境造成了严重污染等。燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，因不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％～70％,是继火电、水电、核电之后的第4种发电技术。在众多质子交换膜燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton electrolyte membranefuelcell.PEMFC)具有清洁高效、环境友好、低噪音、工作温度低和启动速度快等特点，能够解决发电行业能源利用的问题，近年来受到广泛关注，在未来也将发展成为一种重要的供电方式。然而PEMFC也存在许多制约其大规模商业应用的问题，如成本高、稳定性差和使用寿命短等。

在实际应用中，PEMFC的内部水管理是影响其自身性能和使用寿命的主要因素。为减少其内部水淹、膜干等现象导致的各种不良影响，需要保证其内部水管理的平衡。PEMFC内部组成复杂，对其进行故障诊断准确性的要求并且针对不同故障类型进行在线实时处理是非常有必要的。作为一种数据驱动的诊断方法，基于压降的水故障诊断近年来受到了越来越多的关注。压降不仅可以反映燃料电池流道内部的含水量，而且可以作为一种在线故障诊断的指标；及时正确识别PEMFC的各类水故障并采取有效的处理措施，可以保证PEMFC的稳定运行，降低事故发生的可能性。

有关燃料电池内部水故障的诊断，常见的方法有电压巡检法、交流阻抗谱测试法等等。基于电压的水管理方法需要较多的引线，对于水故障的预测效果并不理想且无法做到水淹膜干的良好区分；基于阻抗的水管理方法虽然诊断效果良好，但交流阻抗谱测试时间较长，无法满足在线性和实时性的要求。而在监测质子交换膜燃料电池内部含水量状态后，利用常规PID控制存在容易产生震荡、调节时间长等问题，无法满足快速性的要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或改进需求，本发明提供一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统，其目的在于对PEMFC进行实时在线准确地水故障诊断并针对质子交换膜燃料电池内部异常的含水状态进行快速有效的处理，以维持PEMFC的稳定运行。

为此，本发明采用的一种技术方案如下：质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其包括步骤：

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(沿程阻力、重力压头、氢气消耗等)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。