一种燃料电池最优功率点计算方法技术

一种燃料电池最优功率点计算方法，包括：本发明专利技术是在操作条件确定的情况下，计算出当前操作条件下电堆各段的阻值，并在电流密度变化的过程中得到总内阻最小时的电流密度，再结合内阻模型与电压输出特性模型计算出最小电阻对应的输出电压，最后通过电流和电压可以计算出最优功率点。相较于最大功率点计算与跟踪方法，最优功率点计算方法简单准确，并且最大功率点仅考虑了电堆能够输出的最大功率，并未对实际情况下的操作条件进行限定，而最优功率点是基于以“总内阻最小”为约束条件进而求得的，该最优功率点可以很好地描述出电堆在当前工况下达到的一个最优输出性能，具有良好的工程应用前景。

A Method for Calculating the Optimal Power Point of Fuel Cells

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池最优功率点计算方法
:本专利技术涉及一种燃料电池最优功率点计算方法。
技术介绍
:现代社会的快速发展导致对能源的需求不断增大，导致人类面临资源短缺的困境，人们开始注重寻找能够替代的新型能源，氢气这一清洁能源进入到了我们的视线，氢氧燃料电池在这方面表现出了巨大的潜力。由于燃料电池操作性能好，发电环境友好并且产物没有任何污染等优点，受到人们广泛关注。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。目前，燃料电池发电系统比较常用的最大功率点计算与跟踪方法中，较多采用的是扰动观察法(PerturbandObserve，P&O)，扰动观察法简单且易于实现，但对于当电堆操作条件发生突变时，会导致系统输出不稳定，出现“误判”情况，导致计算结果偏离实际，结果准确度无法保证。另一种比较常用的方法是电阻增量法，该方法能够在操作条件迅速变化时，燃料电池的输出仍能以较平稳的方式继续工作，控制精度比较高且响应速度快，但是该方法会过多的依赖于高精度的硬件、传感器等，整体的工程经济性较差。从本质上讲，最大功率点仅考虑了电堆能够输出的最大功率，并未对实际情况下的操作条件进行限定。最优功率点是基于以“总内阻最小”为约束条件进而求得的，该最优功率点可以很好地描述出电堆在当前工况下达到的一个最优输出性能。因此，从电堆的最小总内阻角度出发，提出了一种新的基于内阻特性的最优功率点计算方法。
技术实现思路
：在电堆的实际操作中，在操作条件不变的前提下，以“电堆总内阻最小”为原则，提出最优功率点(OptimumPowerPoint，OPP)的概念。在操作条件确定时，根据内阻-操作条件模型计算出该操作条件下对应的最小总内阻，再结合电压输出特性模型计算出燃料电池堆在最小总内阻下的输出电压与电流，即可求得燃料电池在该操作条件下的最小总内阻所对应的输出功率，即最优功率点。由图1中的对比可以看出，燃料电池工作时，最优功率点与最大功率点在其本质上存在着明显的差异。最优功率点是在电堆操作条件一定的情况下，电堆总内阻最小处对应的功率点，而最大功率点是在当前工况下的燃料电池堆基于负载内外匹配的输出的最大功率值。从图1中也可以看出，电堆在负载功率一定的情况下，最优功率比最大功率更有其实际应用意义。为达到上述目的，本专利技术所叙述的PEMFC最优功率点的计算方法有以下的步骤：1.一种燃料电池最优功率点计算方法特征在于：本专利技术从“总内阻最小”的角度出发，提出一种新的最优功率点计算方法。首先，燃料电池极化现象划分为活化、欧姆、浓差三部分，即对应着三部分内阻，以燃料电池堆电压—电流输出特性模型和内阻—操作条件模型为基础，推导出燃料电池的输出电压Vstack以及电堆总内阻Rstack的表达式。在操作条件恒定的条件下，由Rstack的表达式可得到整体的Rstack-i曲线，Rstack-i曲线在变化过程中存在最小极值点，进而求出与其对应的电流密度iopp，再利用iopp和Rstack可以求得对应的Vstack，最后由功率的计算公式即可求得最优功率。相比于最大功率点，最优功率点在燃料电池实际工作中输出性能更优，更加具有实际应用意义，最优功率点具体计算步骤如下：步骤一：燃料电池实际工作中，由于极化现象的存在，燃料电池电化学反应必须会消耗自身的能量去克服反应中的阻力，因此燃料电池堆实际输出电压要小于理想电动势，燃料电池的实际输出电压如(1)所示：Vcell＝Enernst-ηact-ηohm-ηcon(1)式中，Enernst为Nernst电动势。再根据极化现象产生的原理，分别推算出活化极化损失ηact、欧姆极化损失ηohm和浓差极化损失ηcon，得到燃料电池的输出电压—电流输出特性模型表达式：Vstack＝Enernst-[a+blni+i·Rm+mexp(n·i)](2)式中，a＝-RTstackln(i0)/αnF，b＝RTstack/αnF，i为电流密度，Acm-2。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，其数值主要由电解质的传导率和气体扩散层的孔隙率决定，一般情况下，n＝8；其中的m值受燃料电池工作温度的影响而有如式(13)所示的关系式：步骤二：电堆总内阻(Rstack)主要由活化内阻(Rf)、欧姆内阻(Rm)以及浓差内阻(Rd)三部分组成，得到电堆总内阻(Rstack)与操作条件表达式为：式中，α为电化学反应速率；n为电化学反应转移的电子数，n＝2；F为法拉第常数，96485C/mol；R为理想气体常数，R＝8.314J/(mol·K)，tm为质子交换膜的厚度，tm＝51μm；λ为质子交换膜的含水量，δ为扩散层厚度，um；S为电化学反应面积，cm2；Cg为反应物总浓度，g/mol；Deff为水迁移系数。并且通过式(4)得知，当电堆的温湿度操作条件确定时，电堆总内阻(Rstack)只与电流密度(i)相关。步骤三：当电堆操作条件保持不变，通过燃料电池的输出电压Vstack的表达式可以得到电堆外部输出的V-i特性曲线，再结合内阻与操作条件模型准确得到与之相对应的Rstack-i变化曲线，对得到的Rstack–i关系式求导，可求出“电堆总内阻最小”处对应的电流密度值iopp，即：式中，β为电导率系数，β≈6。然后将其代入式(2)中可以进一步计算出与之对应的电压值Vstack，二者的乘积结果即为当前工况下存在的唯一最优功率点Popp。本专利技术所述的最优功率点，其特征在于：相较于最大功率点对硬件要求较高，并且实际工作中会出现内外阻值无法匹配的情况等不足，使用最优功率点对燃料电池输出性能进行优化。最优功率点是基于以“电堆总内阻最小”为约束条件，通过电压—电流输出特性模型和内阻—操作条件模型建立方程，求得燃料电池最小总内阻对应的电流密度iopp，再以此计算出对应处的电压值，进而求得对应的最优功率点，该最优功率点可以很好地描述出电堆在当前负载功率下达到的一个最优输出性能，使燃料电池堆的整体利用效率得到提高，具有良好的工程应用前景。附图说明：图1最优功率点与最大功率点示意图图2最优功率点计算方法流程图图3理想与实际V-I输出曲线图4确定操作条件下燃料电池Rstack-i曲线具体实施方式：下面根据图2并结合附图说明最优功率点的计算方法。本专利技术所述的燃料电池输出最优功率点计算方法包括以下几个步骤：步骤一：燃料电池堆实际运行时，由于极化现象的存在，燃料电池堆必须消耗一部分能量去克服电化学反应中存在的阻力，导致燃料电池堆的实际开路电压要小于理论开路电压。根据极化现象在不同输出阶段产生的原因及特点不尽相同，故将极化现象划分为活化极化损失(ηact)、欧姆极化损失(ηohm)和浓差极化损失(ηcon)。从图3可以看出，活化极化区域内时，电堆在该阶段表现出定电流下电压高的特点，但仅有当电堆处于启动初期或者低电流密度输出时，电堆的输出电压才接近于理想状态下的开路电压，该阶段损失主要由活化极化产生的电压损失。欧姆极化区域内时，输出电压下降相对平缓，线性程度较高，符合电路的欧姆定律，在该区域内电堆内部的电化学反应平稳进行，体现出电堆定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池最优功率点计算方法的特征在于：本专利技术从“总内阻最小”的角度出发，提出一种新的最优功率点计算方法；首先，燃料电池极化现象划分为活化、欧姆、浓差三部分，即对应着三部分内阻，以燃料电池堆电压—电流输出特性模型和内阻—操作条件模型为基础，推导出燃料电池的输出电压Vstack以及电堆总内阻Rstack的表达式，在操作条件恒定的条件下，由Rstack的表达式可得到整体的Rstack‑i曲线，Rstack‑i曲线在变化过程中存在最小极值点，进而求出与其对应的电流密度iopp，再利用iopp和Rstack可以求得对应的Vstack，最后由功率的计算公式即可求得最优功率，相比于最大功率点，最优功率点在燃料电池实际工作中输出性能更优，更加具有实际应用意义，最优功率点具体计算步骤如下：步骤一：燃料电池实际工作中，由于极化现象的存在，燃料电池电化学反应必须会消耗自身的能量去克服反应中的阻力，因此燃料电池堆实际输出电压要小于理想电动势，燃料电池的实际输出电压如(1)所示：Vcell＝Enernst‑ηact‑ηohm‑ηcon   (1)式中，Enernst为Nernst电动势；再根据极化现象产生的原理，分别推算出活化极化损失ηact、欧姆极化损失ηohm和浓差极化损失ηcon，得到燃料电池的输出电压—电流输出特性模型表达式：Vstack＝Enernst‑[a+blni+i·Rm+mexp(n·i)]   (2)式中，a＝‑RTstackln(i0)/αnF，b＝RTstack/αnF，i为电流密度，Acm...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池最优功率点计算方法的特征在于：本发明从“总内阻最小”的角度出发，提出一种新的最优功率点计算方法；首先，燃料电池极化现象划分为活化、欧姆、浓差三部分，即对应着三部分内阻，以燃料电池堆电压—电流输出特性模型和内阻—操作条件模型为基础，推导出燃料电池的输出电压Vstack以及电堆总内阻Rstack的表达式，在操作条件恒定的条件下，由Rstack的表达式可得到整体的Rstack-i曲线，Rstack-i曲线在变化过程中存在最小极值点，进而求出与其对应的电流密度iopp，再利用iopp和Rstack可以求得对应的Vstack，最后由功率的计算公式即可求得最优功率，相比于最大功率点，最优功率点在燃料电池实际工作中输出性能更优，更加具有实际应用意义，最优功率点具体计算步骤如下：步骤一：燃料电池实际工作中，由于极化现象的存在，燃料电池电化学反应必须会消耗自身的能量去克服反应中的阻力，因此燃料电池堆实际输出电压要小于理想电动势，燃料电池的实际输出电压如(1)所示：Vcell＝Enernst-ηact-ηohm-ηcon(1)式中，Enernst为Nernst电动势；再根据极化现象产生的原理，分别推算出活化极化损失ηact、欧姆极化损失ηohm和浓差极化损失ηcon，得到燃料电池的输出电压—电流输出特性模型表达式：Vstack＝Enernst-[a+blni+i·Rm+mexp(n·i)](2)式中，a＝-RTstackln(i0)/αnF，b＝RTstack/αnF，i为电流密度，Acm-2，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，其数值主要由电解质的传导率和气体扩散层的孔隙率决...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫东，梁旭鸣，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