[发明专利]一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法

摘要

一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法，包括：本发明旨在通过拟合最优V‑I曲线运用数学方法计算直接找到燃料电池的最大功率点。该方法通过理论的方法可以在特定的燃料电池和特定的操作条件下求出最大功率点。不同的操作条件下，会产生不同的V‑I曲线，从这些不同的V‑I曲线中能找到最优V‑I曲线。最大功率点通常是在欧姆段和浓差段产生，欧姆段是可以近似的看作是线性，此时斜率最小的V‑I曲线就是所对应的最优V‑I曲线，而浓差段可以运用浓差段电压公式，最后通过功率公式寻找最大功率点。

主权项

1.一种系统理论推导出燃料电池最大功率点的方法——一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法，其特征在于：通过改变燃料电池的操作条件，寻找出最优V‑I曲线，此时欧姆段斜率最小，即总内阻最小；在最优操作条件下得到一条V‑I曲线，欧姆段用V‑I曲线线性拟合求最大功率点，浓差段通过公式P＝UI和浓差段电压公式推导出PEMFC的最大功率点；较传统方法避免了在寻找最大功率点时出现大的偏差，也减少了对PEMFC的寿命损耗和能源损耗，具体步骤如下：步骤一：先在电堆温湿度上下限范围内，找一组温度和湿度值进行实验；改变电流密度可以得到一条V‑I曲线，得到欧姆段斜率R1；选择暂定温度(或者暂定湿度)，改变原有的湿度(改变原有的温度)，再通过改变电流密度又可以获得一条V‑I曲线，得到欧姆段斜率R2；步骤二：通过比较R1和R2的大小，如果R1比R2大，则下一组数据继续沿着湿度增大或者减小的方向增大或减小，直到得到的欧姆段斜率不再减小；同理找到最优湿度后改变温度找到最优温度，最后就能找到最优操作条件即最优的V‑I曲线；步骤三：分两种情况求最大功率点，分别为最大功率点在欧姆段和最大功率点在浓差段；在所得的V‑I曲线中，由于中间的欧姆段偏向于一条直线，可以得到E关于I的表达式；将其带入功率运算式子P＝EI中，可计算出最大功率点I0的值，若I0在欧姆段上则所求点即为最大功率点，若I0在浓差段上，则判断出最大功率点在浓差段，需要用步骤四计算最大功率点；步骤四：V‑I曲线分为活化段、浓差段和欧姆段，其电压输出公式如下所示：E＝Eoc‑(a+bln(i))‑(A+ΔR0i)‑meni  (1)Eoc是燃料电池热力学电动势，其中a，b为常数，b是tafel公式的斜率，所代表的活化电压损失；A是常数，△R0是欧姆段斜率，所代表欧姆电压损失；m，n是常数根据电堆的特性求得，所代表浓差段电压损失。浓差段主要电压损耗来自于浓差电阻，所以浓差段电压公式表达了浓差电压与电流密度之间的关系，公式满足以下关系式：E＝Eoc‑menI  (2)浓差段的电势为E，m和n均表示质子交换膜燃料电池反应时的质量传递系数，其数值一般由电解质的传导率和气体扩散层的孔隙决定；通过最优V‑I曲线所对应的温度和湿度，改变电流密度得到关于浓差段电压和电流密度之间的曲线，可以根据已有的电堆性能求出m和n值，以求出整个浓差段电压关系式。把浓差段电压公式代入P＝EI的公式中，在求解其最大功率点时，会得到一个微分方程，解出该微分方程，并带入浓差段公式中求出E的值；步骤五：由步骤三或者步骤四得到的一个电流密度值I0，带入欧姆段公式中或者浓差段电压公式中能求得对应的电压值，标记为E0，而I0在最优V‑I曲线中对应有一个电压值，标记为E1；E0与E1之间存在一定的偏差，求出该方法求得的相对误差；步骤六：从所得到的电流密度值I0推测出最大功率点就在I0的附近，此时再使用已有的方法比如扰动观测法这类的，可以更快且更加准确的找到最大功率点。