一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法技术

一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法，包括：本发明专利技术旨在通过拟合最优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。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法
:本专利技术涉及一种找出PEMFC最优V-I曲线下的输出最大功率点的方法。
技术介绍
:随着步入21世纪，能源消耗日益增加，寻找新能源代替原有的化石能源已经成为各国政府高度重视的新问题。化石能源的消耗增加也就意味着未来有一天将面临着资源短缺的困境。开发清洁无污染的能源符合时代的潮流，而氢气这一清洁能源便进入到人们的视线之中。氢能源本身的特点就是无污染可循环使用，也就导致燃料电池拥有了可循环、环境友好、无噪音等优点。燃料电池的出世既减缓了化石能源消耗巨大带来的能源稀缺所产生的压力，同时既符合可持续发展这一观念也有利于建设环境友好型社会。在燃料电池中质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)具有功率密度高、无污染、低温启动等优点，特别适用于人们日常生活中，有着光明的市场应用前景。燃料电池在实际的工作中，PEMFC电堆的输出性能受各种参数的影响比如温度、湿度。但是在确定操作条件的情况下，在一条燃料电池的V-I曲线上是存在一点可使得燃料电池输出功率最大的点，即最大功率输出点。燃料电池的寿命是有限的，为了使燃料电池在有限的寿命时间内产生更多的能量，寻找燃料电池最大功率输出点就具有现实意义。目前为止比较常用的PEMFC最大功率输出点的方法主要有开路电压法、扰动观测法和电阻增量法。但是以上方法拥有许多弊端和局限性，其中电流密度大幅度变化，电流突然切断都是比较危险的，同时对整个燃料电池的寿命也是有影响的，而且测试的时间是比较长的，但是最后的结果的准确度却是无法保证，不能做到节省时间和能源。现有的方法对于寻找燃料电池的最大功率输出点，均有所改善和利用，但总的来说，对寻找燃料电池最大功率点的精确度和操作上，还是存在不少问题。
技术实现思路
：在实际的燃料电池寻找输出最大功率点中，主要使用的方法开路电压法、扰动观测法之类的，这些方法或多或少都存在着一些问题，总体上这些方法都可以归类成实践寻找，会损耗燃料电池的寿命。本专利技术旨在通过拟合最优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。为达到上述目的，本专利技术所叙述的寻找PEMFC最大功率点的方法有以下的步骤：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。本专利技术所述的V-I曲线拟合公式寻找燃料电池输出最大功率点的方法，其特征在于：相较于传统寻找燃料电池输出最大功率点的方法，比如开路电压法、扰动观测法，测试周期时间长，误差较大，对燃料电池的损伤较大，使用本方法，对传统寻找燃料电池输出最大功率点的方法进行了改进，通过方程组P＝EI和浓差段电压公式联立可以求出P关于I的公式，对于该公式可以快速算出最大功率点所对应的电流密度值I0。该方法可以达到准确寻找燃料电池输出最大功率点这一目的，实现了保护燃料电池组件，延长燃料电池寿命的功能，避免了传统方法对燃料电池的损坏以及对能源的损耗，从而减少了测试的时间，增加所得结果的准确性，有较好的工程应用前景。附图说明：图1V-I曲线对比图图2P-I曲线图具体实施方式：下面结合附图说明V-I曲线拟合公式的寻找PEMFC输出最大功率点方法的具体实施方式。本专利技术所述的一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法实施过程包括以下几个步骤：步骤一：先在电堆温湿度上下限范围内，找一组适当的温度T1和湿度RH1值进行实验。改变电流密度，从低电流密度逐渐增加到高电流密度，可以得到一条V-I曲线。选择暂定温度T1，改变原有的湿度RH1为RH2，再通过改变电流密度，从低电流密度增加到高电流密度又可以获得一条V-I曲线。步骤二：把两条曲线放在一起对比如图1所示，通过比较两条V-I曲线的欧姆段斜率，若斜率变小则继续沿着RH2正向变化湿度，重复上述流程直到欧姆段斜率不在变小。找到最优湿度后确定为RH0，同理改变温度找到最优温度T0，即确定PEMFC的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫东，沈永超，王振，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33