基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。本发明专利技术首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。本发明专利技术解决了质子交换膜燃料电池系统的水淹故障诊断与容错控制问题，将容错控制运用到质子交换膜燃料电池水管理中，可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。靠性与耐久性。靠性与耐久性。

【技术实现步骤摘要】
基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池应用领域的一种质子交换膜燃料电池的控制优化方法，具体是涉及了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。

技术介绍

[0002]由于当今社会环境污染、资源短缺不断严重，质子交换膜燃料电池凭借其较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染等优点，近年来得到了诸多国家以及企业的重视，质子交换膜燃料电池汽车更是被相关学者认为是汽车发展的最终形态。然而，质子交换膜燃料电池暂时无法实现大规模商业化，这是由于其较低的耐久性与寿命问题导致的。由于实际运行工况的改变以及控制系统的失效，质子交换膜燃料电池容易出现水管理失效问题，常见的故障为水淹故障，造成其性能下降，甚至产生严重的安全问题。解决质子交换膜燃料电池的水淹的有效措施是实时监测水淹故障，并在水淹故障发生后及时采取有效控制措施避免水淹，即水管理容错控制方法。
[0003]目前，诊断质子交换膜水淹的办法有多种，例如电化学阻抗谱、气体压降法等。但上述方法或无法在线运用于动态工况，或需要复杂的数据处理步骤，往往难于运用于实际质子交换膜燃料电池系统。因此有必要开发新的水淹诊断方法，并结合容错控制器抑制质子交换膜燃料电池进入水淹故障，这对提升质子交换膜燃料电池的可靠性与耐久性意义重大。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
[0007]所述的质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：
[0008][0009]N
w，m
＝N
w，m，diff
‑
N
w，m，osmo
.其中，为气体扩散层水扩散导数，N
w，gen
为反应生成水，N
w，m
为跨膜水传输，N
w，GDL
为气体扩散层水扩散，N
w，m，diff
为跨膜水扩散，N
w，m，osmo
为电渗透，S
a
为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。
[0010]所述的质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：
[0011][0012]其中，M
H2O
为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θ
c
为水在气体扩散层的接触角，ε为质子交换膜气体扩散层孔隙，K为质子交换膜气体扩散层渗透性，z为质子交换膜气体扩散层纵向距离，C1为边界系数。
[0013]所述的质子交换膜燃料电池水管理容错控制器输入为质子交换膜燃料电池的预设水淹故障因子，基于质子交换膜燃料电池水传输模型，水管理容错控制器输出为空压机控制电压，用于调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量；接着再计算作用后的水淹故障因子并返回至水管理容错控制器中，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
[0014]所述水管理容错控制器包含模型计算模块与滑模控制器；模型计算模块中，根据容错控制器的输入，并结合质子交换膜燃料电池水传输模型计算当前条件下空压机控制电压的稳态输出值u
eq
；滑模控制器中，根据当前水淹故障因子与预设水淹故障因子计算并输出空压机控制电压的滑膜调节值u
sw
；空压机控制电压的稳态输出值u
eq
与滑膜调节值u
sw
之和作为容错控制器输出。
[0015]所述滑模控制器的滑模面采用平滑处理的切换函数。
[0016]本专利技术的有益效果是：
[0017]本专利技术实现对质子交换膜燃料电池水管理系统的健康控制，创新性地设计了基于模型的质子交换膜燃料电池水淹故障因子，可以实时监测质子交换膜燃料电池水管理状态。此外，本专利技术还将该水淹故障因子运用于质子交换膜燃料电池容错控制中，可以通过自动调整空压机控制电压从而规避质子交换膜燃料电池水淹故障。
[0018]本专利技术可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。
附图说明
[0019]图1是本专利技术中的质子交换膜水分布示意图。
[0020]图2是本专利技术容错控制器框架。
[0021]图3是本专利技术实施例中在线实验结果图。
[0022]图4是本专利技术实施例中在线实验空压机控制电压图。
[0023]图5是本专利技术实施例中在线实验EIS测试结果图。
[0024]图6是本专利技术的方法流程图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施对本专利技术作进一步说明。
[0026]按照本专利技术方法完整实施的实施例情况如下：
[0027]如图6所示，本专利技术包括以下步骤：首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，简化的质子交换膜水传输模型如图1所示，
[0028]质子交换膜燃料电池水传输模型具有四个子过程，分别为跨膜水扩散、电渗透、气体扩散层水扩散以及反应生成水。质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：
[0029][0030]N
w，m
＝N
w，m，diff
‑
N
w，m，osmo
.
[0031]其中，为气体扩散层水扩散导数，N
w，gen
为反应生成水，N
w，m
为跨膜水传输，N
w，GDL
为气体扩散层水扩散，N
w，m，diff
为跨膜水扩散，N
w，m，osmo
为电渗透，S
a
为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。
[0032]接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：
[0033][0034]其中，M
H2O
为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θ
c
为水在气体扩散层的接触角，ε为质子交换膜气体扩散层孔隙，K为质子交换膜气体扩散层渗透性，z为质子交换膜气体扩散层纵向距离，C1为边界系数。利用水淹故障因子对质子交换膜燃料电池进行水淹监测；若质子交换膜燃料电池水淹故障因子高于预设水淹阈值，则认定质子交换膜燃料电池进入水淹故障。
[0035]再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器(FTC)，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于,包括以下步骤：首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。2.如权利要求1中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：N
w，m
＝N
w，m，diff
‑
N
w，m，osmo
其中，为气体扩散层水扩散导数，N
w，gen
为反应生成水，N
w，m
为跨膜水传输，N
w，GDL
为气体扩散层水扩散，N
w，m，diff
为跨膜水扩散，N
w，m，osmo
为电渗透，S
a
为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。3.如权利要求1中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：其中，M
H2O
为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，严驰洲，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：