一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法技术

内阻直接反映燃料电池电堆内部真实的水热管理状况，本发明专利技术基于内阻检测，提出了一种温度优化及控制方法，先通过对燃料电池内部机理分析，建立燃料电池内阻模型、温度模型，再对模型进行仿真，以仿真结论为指导进行实验，通过实验得到的数据对模型参数进行优化，使模型根据符合燃料电池实际的工作状态。之后进行控制，以优化后的模型为控制基础，先通过EIS法测出电堆当前电流下总内阻与段内阻值，代入内阻模型计算出电堆内部温度大小，再将当前温度值与最优值对比，将差值代入温度模型计算出控制变量调节大小，通过对控制效果图分析，该方法可以很好地将堆内温度控制在最优值附近，并明显提高控制的实时性和稳定性，方法是有效、可行的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水冷型质子交换膜燃料电池温度优化及控制的方法。
技术介绍
能源是经济发展的基础，伴随着全球经济的飞速发展，人类对能源的依赖越来越重，但传统的化石燃料如煤、石油、天然气储量有限，预计将在本世纪中叶日趋枯竭，同时，化石燃料所排放出的二氧化碳，已经引起了全球变暖的危机，而石油天然气等化石能源所带来的大气、水质、土壤污染，严重威胁到人类的生存环境。传动能源体系已经无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系要求。新能源的开发利用已经成为越来越受关注的课题。氢气作为一种清洁能源，越来越受到人们的重视与青睐，而氢氧燃料电池则在这方面表现出巨大的潜力。PEMFC作为氢能发电的新型发电技术之一，具有高效率、低污染、低噪声、响应快等一系列优点，特别适用于人类的日常生活中，有着光明的应用前景。在PEMFC运行中，其输出性能受堆内温度影响很大，温度可以通过影响化学反应的速率来影响质子与电子的传输速度，从而影响输出电流的大小；同时温度也影响电池的运行特性，当温度较低时电池的各种极化增强，欧姆内阻较大，会使PEMFC性能下降；而当温度升高时，会降低欧姆内阻，减少极化损失，但是过高的温度会导致质子交换膜脱水，电导率下降，电池性能变坏甚至膜损坏，因此有效地控制温度是保证PEMFC性能的关键。由于PEMFC电堆的密封特性，电堆内部温度值无法通过传感器直接测得，而外部输出性能(电压、电流)无法直接反应电堆内部真实热管理状态。现有一种燃料电池温度控制方法，与传统方法相比，成功解决了燃料电池内部温度无法直接测量的难题，并通过检测内阻来代替检测外部输出性能，极大的提高了电堆温度控制的实时性与准确性。
技术实现思路
内阻直接反映燃料电池电堆内部真实的水热管理状况，本专利技术基于内阻检测，提出了一种温度优化及控制方法，先通过对燃料电池内部机理分析，建立燃料电池内阻模型、温度模型，再对模型进行仿真，以仿真结论为指导进行实验，通过实验得到的数据对模型参数进行优化，使模型根据符合燃料电池实际的工作状态。之后进行控制，以优化后的模型为控制基础，先通过EIS法测出电堆当前电流下总内阻与段内阻值，代入内阻模型计算出电堆内部温度大小，再将当前温度值与最优值对比，将差值代入温度模型计算出控制变量调节大小，通过对控制效果图分析，该方法可以很好地将堆内温度控制在最优值附近，并明显提高控制的实时性和稳定性，方法是有效、可行的。具体步骤如下：步骤一：建立内阻模型。根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd。活化内阻表达式为：其中R为理想气体常数，8.316J/(K·mol)；α为电化学反应速度参数；n为氢气反应转移的电子数，n＝2；F为法拉第常数，96485.3C/mol；Tstack为电堆温度，K；T0为环境温度，K；由内阻特性分析可知Rm与Tstack、RHstack关系表达式为：其中：λ＝0.043+17.18RHstack-39.85RHstack2+36RHstack3，RHstack为电堆湿度，％；tm为质子交换膜厚度，μm；为维持PEMFC正常工作，必须持续不断的输送反应物并把生成物从电堆中移除，这需要克服组件产生的浓差内阻：式中：β为电导率系数，kg；τ为电化学反应转移粒子摩尔数，mol；δ为扩散层厚度，μm；S为催化层面积，cm2；Cg为反应物总浓度，mol/L；Deff为水迁移系数，J/(K·mol)。由式(1)、式(2)、式(3)联立得电堆内阻Rstack：其中N为单片电池数，n为氢氧电化学反应电子迁移系数；步骤二：建立热管理模型。在电堆运行过程中会伴随着热量的生成与散失，电堆内部热量变化的主要原因有：电堆电化学反应生成的热量ΔQ1、冷却水带走的热量ΔQ2、尾气排放带走的热量ΔQ3。假设控制器采样时间为t、尾气排放间隔时间为tP、尾气排放时间为t’。则在单个采样周期t内电堆内部热平衡方程为：ΔQ＝ΔQ1-ΔQ2-ΔQ3(5)根据比热容公式可知，单个采样周期t内的电堆内部温度变化为：电堆输出功率的大小直接反应了电化学反应生成热量的多少，输出功率越大、生成热量越多。由电化学及能量守恒原理，电化学反应生成热量ΔQ1为：ΔQ1＝N*iA*(1.2-U)*t(7)为了保证电堆内部温度处于相对稳定状态，向电堆供给循环冷却水，通过循环水带走电堆内部过剩热量。若循环冷却水进电堆温度为Tin、出电堆温度为Tout，冷却水流量qf，换热效率为k，则t时间内冷却水带走热量ΔQ2为：电堆的尾气排放包括未反应的氢气、空气和水蒸气，电堆通过尾气排放带走的热量ΔQ3为：其中：为环温饱和蒸汽密度，kg/m3；为电堆内部饱和蒸汽密度，kg/m3；vc为进气流量，L/min；Cair，c分别为水蒸气、氢气、空气比热容，kJ/kg·℃；RHa，in、RHc，in分别为氢气和空气进气相对湿度，％；r为水蒸气汽化潜热，40.2kJ/mol；将(7)(8)(9)代入(6)可知单位时间t内电堆内部温度变化情况：步骤三：模型仿真得出结论。对内阻模型进行仿真，得出活化段、欧姆段、浓差段最优温度操作条件；对热管理模型进行仿真，确定影响温度的主控变量、辅控变量。步骤四：仿真结论为指导进行实验。通过仿真得到电堆不同工作阶段下最优温度值虽具有指导意义，但并不能等效电堆真实工况，故以仿真结果为指导，在仿真得到的最优温度值的较小范围内通过实验数据再次进行寻优，确定精确的温湿度最优操作条件；通过实验得到数据，对内阻模型、热管理模型进行拟合并分析误差，验证模型有效性。步骤五：根据模型进行控制。阻抗测试仪先测出当前电流下的分段内阻(Rf、Rm、Rd)与总内阻(Rstack)，经信号处理器处理后得到与最优温度值T优的偏差ΔT，传给温度控制器。控制器根据热管理模型，计算得出冷却水流量qf大小，生成控制信号，作用于冷却水流量阀，冷却水流量阀相应的调整自身开度，对冷却水流量qf做出调整，当冷却水流量调节完毕后，再微调尾气排放时间t’和尾气排放间隔时间tP，进一步校准。在此过程中，信号处理器不停的检测堆内温度传给温度控制器。附图说明：图1为本专利技术电堆活化段时总内阻与温度仿真图图2为本专利技术电堆欧姆段时总内阻与温度仿真图图3为本专利技术电堆浓差段时总内阻与温度仿真图图4为本专利技术电堆活化段时总内阻与温度实验图图5为本专利技术电堆欧姆段时总内阻与温度实验图图6为本专利技术电堆浓差段时总内阻与温度实验图图7为本专利技术为活化段电堆温度变化与冷却水流量关系曲线图图8为本专利技术为活化段电堆温度变化与排气时间关系曲线图图9为本专利技术为活化段电堆温度变化与排气间隔时间关系曲线图图10为本专利技术电堆温度操作条件控制模型流程图图11为本专利技术系统结构图图12为本专利技术电堆温度控制模型结构图图13为本专利技术冷却水流量控制曲线图图14为本专利技术电堆温度变化曲线图具体实施方法：以下，参照附图，关于本专利技术的优选实施方案进行说明。步骤一：建立内阻模型。根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd。活化内阻表达式为：其中R为理想气体常数，8.316J/(K·mol)；α为电化学反应速度参数；n为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法，其特征在于：通过机理法建立燃料电池内阻模型，热管理模型，通过实验数据对模型参数进行优化，以优化后的模型为指导，相应的调整控制变量大小，实现对燃料电池堆内温度的控制具体，步骤如下：步骤一：根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd，由于电堆正常工作时输出时直流电，故电堆内阻不考虑容性阻抗及其他复阻抗。因此，电堆总内阻Rstack为Rf、Rm、Rd三者之和；步骤二：在电堆运行过程中会伴随着热量的生成与散失，电堆内部热量变化的主要原因有：电堆电化学反应生成的热量ΔQ1、冷却水带走的热量ΔQ2、尾气排放带走的热量ΔQ3。假设控制器采样时间为t、尾气排放间隔时间为tP、尾气排放时间为t’，基于能量守恒定律，机理法建立燃料电池温度模型：ΔT={N×iA×(1.2-U)×t+{[a1×iAt-(ρω,maxTstack×vc-RHc,in×ρω,maxTe×vc)]*t×t′t′+tp}×CH2O,l×(Tstack-Te)+(b1×vat-b2×iAt)×CH2,a×(Tstack-Te)+(d1×vct-d2×iAt)×Cair,c×(Tstack-Te)+mH2O,vMH2O×r+k×qft×CH2O,l(Tout-Tin)}/(mstack×Cstack)]]>其中：d2=MO24NA×e;]]>ΔT为堆内温度变化值，℃；为环温饱和蒸汽密度，kg/m3；为电堆内部饱和蒸汽密度，kg/m3；vc为进气流量，L/min；Catr，c、Cstack分别为水蒸气、氢气、空气、电堆比热容，kJ/kg·℃；RHa，in、RHc，in分别为氢气和空气进气湿度；Tstack、Te分别为电堆和环境温度，℃；为汽化水质量；r为水蒸气汽化潜热，40.2kJ/mol；步骤三：对内阻模型进行仿真，由仿真结果可知：以燃料电池当前所处段内阻最小和总内阻最小为寻优原则，得出活化段、欧姆段、浓差段最优温度操作条件；对热管理模型进行仿真，可知冷却水流量对温度影响较大，而尾气排放时间与尾气排放间隔时间对温度影响较小；步骤四：通过仿真得到电堆不同工作阶段下最优温度值虽具有指导意义，但并不能等效电堆真实工况，故以仿真结果为指导，在仿真得到的最优温度值的较小范围内通过实验数据再次进行寻优；通过实验得到数据，对内阻模型、热管理模型进行拟合并分析误差，验证模型有效性；步骤五：根据上述结论进行控制，阻抗测试仪依次向电堆发射高频到低频小幅振荡的交流电信号，根据得到的响应信号计算出当前电流下的分段内阻Rf、Rm、Rd与总内阻Rstack，将信号发送给信号处理器，信号处理器基于内阻模型计算得出当前电流下的电堆内部温度值Tstack，并与最优温度值T优对比产生偏差信号ΔT传输给温度控制器；温度控制器根据热管理模型计算出相应控制变量的调.节大小并产生控制信号作用于驱动装置；驱动装置将信号放大后产生驱动信号作用于冷却水电磁阀和尾气排放电磁阀，对控制变量进行调整，在此过程中，信号处理器不停的检测堆内温度传给温度控制器。...

【技术特征摘要】
1.一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法，其特征在于：通过机理法建立燃料电池内阻模型，热管理模型，通过实验数据对模型参数进行优化，以优化后的模型为指导，相应的调整控制变量大小，实现对燃料电池堆内温度的控制具体，步骤如下：步骤一：根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd，由于电堆正常工作时输出时直流电，故电堆内阻不考虑容性阻抗及其他复阻抗。因此，电堆总内阻Rstack为Rf、Rm、Rd三者之和；步骤二：在电堆运行过程中会伴随着热量的生成与散失，电堆内部热量变化的主要...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫东，高志，李志勇，徐创，王央康，常亚文，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33