[发明专利]一种燃料电池输出性能的寻优方法

摘要

本发明提出了一种燃料电池输出性能的寻优方法，针对传统方法以电堆外部参数为寻优指标，考虑内阻可以真实反应电堆内部的水热状态，选取内阻作为输出性能寻优的特性指标；首先，根据等效电路模型，建立了电堆各段内阻与温湿度操作条件机理模型，进而获得总内阻与操作条件关系模型；其次，由于电堆内部温湿度存在耦合特性，建立了温湿度之间解耦模型；再次，将解耦模型代入总内阻模型当中，得到内阻的温湿度解耦模型，使用该模型进行输出性能仿真寻优实验；最后，选取十个电流密度点，以总内阻最小为寻优原则，得到定电流密度下对应的最佳温湿度值，并对最佳温湿度随电流密度变化的趋势进行分析，建立经验模型，为后续控制提供基础与参考。

主权项

1.一种燃料电池输出性能寻优方法，其特征在于：选取内阻作为输出性能的寻优指标，通过机理建模的方式，建立了燃料电池堆内阻与操作条件模型，操作条件之间解耦模型，以总内阻最小为寻优原则，进行定电流下仿真寻优实验，确定每个电流密度下所对应的最佳温湿度操作条件，并通过对最佳温湿度随电流密度变化规律的分析，建立最佳温湿度与电流密度经验模型，为后续控制提供基础与参考，具体包括以下步骤：/n步骤一：根据燃料电池等效电路模型，电堆内部极化电压产生的根本原因是活化内阻R_f、欧姆内阻R_m、浓差内阻R_d阻抗的存在，通过机理建模的方式，分别建立各段内阻与温湿度操作条件的模型，如下所示：/nR_f＝f(T_stack，RH_stack，i) (1)/nR_m＝f′(T_stack，RH_stack，i) (2)/nR_d＝f″(T_stack，RH_stack，i) (3)/n其中，T_stack为电堆温度，K；RH_stack为电堆相对湿度；/n由于燃料电池工作时输出为直流电，故不用考虑容性阻抗复阻抗的影响，根据等效电路模型，有：/nR_stack＝R_f+R_m+R_d＝F(T_stack，RH_stack，i) (4)/n步骤二：温湿度之间存在耦合特性，温度的变化会对湿度产生影响，从而改变各段内组值大小，进而影响总内阻R_stack；从电堆含水量稳态模型入手，对温湿度之间的耦合机理进行深入的研究；/n电堆内部含水量W_stack存在稳态平衡，可用下式描述：/n /n其中W_g为电化学反应生成的水汽，分别为阴阳极进气含有的水蒸气，为尾气排放带走的水汽；/n当影响电堆内部含水量的各控制变量进气加湿度，尾气排放时间均恒定不变时，W_g、分别满足如下关系：/nW_g＝W₁(i) (6)/n /n /n假设电堆内部均为气态水，则电堆含水量W_stack与相对湿度RH_stack满足式9所示关系：/nRH_stack＝W(W_stack，T_stack) (9)/n将式6、7、8、9代入式5中，经多项式合并化解，得到相对湿度RH_stack与温度T_stack和电流密度i的关系如式10，通过式10可以探究电堆在不同工作电流下温度对湿度的影响；/nRH_stack＝f(T_stack，i) (10)/n步骤三：将式10代入式4，将式4中的湿度用温度和电流密度取代，就可以得到一个在影响湿度的控制变量恒定的前提下，考虑到温湿度耦合关系的燃料电池温度寻优模型，如式11所示，可用该模型进行燃料电池温度仿真寻优实验；/nR_stack＝g[T_stack，f(T_stack，i)，i] (11)/n又由于电堆工作时温度对湿度影响很大，而湿度对温度的影响很小，故湿度寻优模型近似忽略温湿度耦合情况的影响，只需将式4中的温度设为定值即可，湿度寻优模型如式12：/nR_stack＝g′(RH_stack，i) (12)/n步骤四：分别对模型11，12进行仿真寻优实验，在活化、欧姆、浓差段分别选取3、4、3共10个电流密度点，以总内阻最小为仿真寻优原则，分别确定这10个电流点所对应的最佳温湿度大小；并通过对最佳温湿度随电流密度变化趋势的分析，建立最佳温湿度与电流密度的经验模型，如式13、14：/nT_优＝G(i) (13)/nRH_优＝G′(i) (14)/n使用遗传算法对模型13、14中的参数进行优化，提高模型精度；这样，结合相应的控制算法，以优化后的式13、14中的最佳温湿度为控制目标，通过使燃料电池始终工作在其任意阶段的最优操作条件工况下，可以降低其各阻抗损耗，优化输出性能。/n