[发明专利]一种基于频率正割角法的PEMFC输出性能优化方法

摘要

一种基于频率正割角的燃料电池性能优化的方法，包括本发明方法是在PEMFC总内阻Rstack最小的最优温湿度工况下，测出此时的电堆各段内阻值大小，相应的得到不同电流密度下的理想高频转折频率f优和理想正割角α优；依此为优化指标，针对任意工况下的电堆，只需发射最高频(20KHz)和理想转折频率f优两组频率信号监控当前α角，通过不停的调节相关控制变量改变当前α角使其趋向于最优α优角，就可以将电堆调节到最佳工作状态；本发明对传统EIS法进行改进，通过方程组联立求解的方法快速算出总内阻Rstack大小，既从内阻角度实现了对PEMFC电堆输出性能的优化，又克服了传统EIS法滞后性大、无法实时检测的缺点，较传统方法操作更加简单、优化性能更佳。

主权项

一种基于频率正割角的PEMFC输出性能优化方法，其特征在于：在PEMFC总内阻Rstack最小的最优温湿度工况下，测出此时的电堆各段内阻值大小，相应的得到不同电流密度下的理想高频转折频率f优和理想正割角α优；依此为优化指标，针对任意工况下的电堆，只需发射最高频(20KHz)和理想转折频率f优两组频率信号监控当前α角，通过不停的调节相关控制变量改变当前α角使其趋向于最优α优角，就可以将电堆调节到最佳工作状态，较传统方法操作更加简单、优化性能更佳，具体的步骤如下：步骤一：在确定燃料电池最佳操作条件工况下，通过EIS法，可以测得燃料电池堆内的阻抗信息，取M1点为交流阻抗谱曲线与实轴的高频交点，并设置该点的频率为交流阻抗试验的最高的频率点，即交流阻抗谱曲线中的(Rm，0)点，之后在PEMFC的交流阻抗谱曲线上选取需要的第二个特定的频率点M2的高频转折频率为f2；步骤二：由M1和点M2在交流阻抗谱上与坐标轴之间的夹角α，结合燃料电池阻抗谱特性曲线变化规律的，推导出M1和M2两点的实部和虚部，得出M1和M2两点的连线与实轴的频率正割角α；步骤三：单纯的α角并不能反应总内阻Rstack的变化趋势，当结合高频转折频率f2时，总内阻才能相应确定，高频转折频率f2、频率正割角α与总内阻Rstack满足下式关系：Rstack=tanα2πf2(1-1tanα)---(1)]]>式中，Rm为燃料电池的欧姆内阻；Ra是活化内阻Rf和浓差内阻Rd之和；步骤四：在PEMFC总内阻Rstack最小的最优温湿度工况下，阻抗测试仪向电堆发送两组高频测试信号，检测其响应信号，代入式(2)中，经方程式联立求解，计算出此时的电堆各等效内阻值；再将各内阻值分别代入高频转折频率f2和频率正割角α模型中，计算出电堆当前工作阶段的f优和α优；调节电子负载，改变电堆的工作阶段，重复上述步骤，得到不同电流密度下的f优和α优，研究f优和α优随电流密度的变化规律，拟合经验模型，作为优化指标；Rm=bcω2-adω1bω2-dω1Ra=b(dω1-bω2)bω2(a-c)(bω2-dω1-abω2+bcω2)Cdl=bω2(1-a+c)-dω1bω1(dω1-bω2)---(2)]]>式中：a、b分别为电堆阻抗信号Z1的实部和虚部；c、d分别为电堆阻抗信号Z2的实部和虚部；ω1和ω2分别是阻抗测试仪发出的高频信号f1和f2的角频率；Cdl表示为燃料电池等效电路的双电层电容；步骤五：针对工作在任意操作条件、工作阶段下的燃料电池堆，首先，检测其当前工作电流，得出对应的f优和α优；然后使用阻抗测试仪向电堆发送最高频(20KHz)和f优两组小幅交流电信号，检测响应信号，计算二者连线与实轴夹角α，并与α优对比产生偏差Δα；最后，调节相关控制变量，改变堆内的水热状态，进而改变当前α角大小，使得Δα趋向于0，当近似为0时优化完成，此时电堆工作在最佳工况下，输出性能最佳。