一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略技术

本发明专利技术公开一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略，首先，提出了一种多点电压监控方法，获取商业尺寸燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压；然后搭建阳极气体动态模型、气体渗透模型和电压模型，分别获取燃料电池阳极入口腔体和出口腔体内的氢气分压和浓度，并以此提出燃料电池氢气控制策略和评价指数。本方案针对商业尺寸燃料电池内部组分分布不均的问题，提出商业尺寸燃料电池的氢气浓度估算方法，并能够更加准确的描述燃料电池内部气体组分变化，提高控制效果，适用于商业尺寸石墨板燃料电池。寸石墨板燃料电池。寸石墨板燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略


[0001]本专利技术燃料电池氢气浓度估计与控制领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略。

技术介绍

[0002]近年来，燃料电池发动机受到越来越多的关注，燃料电池发动机由燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制器系统等组成。空气供给系统和氢气供给系统分别将空气和氢气泵送到燃料电池堆的阴极和阳极。氢气在阳极被氧化成氢离子，并通过质子交换膜迁移至阴极，与阴极的氧气发生还原反应生成水。在此过程中，需要为燃料电池泵送超量多的氢气和空气，防止出现燃料饥饿的故障。
[0003]出于节约成本的考虑，循环利用超量的氢气，氢气供给系统中会设置循环泵，将排出阳极的氢气和水蒸气再泵送至阳极入口。由于在燃料电池工作过程中，氮气会从阴极渗透至阳极；而氢气会从阳极渗透至阴极。这样不可避免的会降低阳极侧的氢气浓度，另外由于氢气循环的作用，从阴极穿越过来的氮气会在阳极腔体内不断积累，降低阳极侧的氢气浓度，无法实现阳极氮气浓度的准确和在线观测，无法实现有效的净化。目前已有研究中还没本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、采用多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；步骤B、基于多点电压数据建立阳极两腔体气体动态模型；将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，两个腔体在电路上并联，在气路上串联，氢气先经过阳极入口腔体，在阳极入口腔体中发生反应后再进入阳极出口腔体，分别构建两个腔体的气体动态模型；步骤C、基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型；步骤D、根据步骤B构建的气体动态模型和步骤C构建的跨膜传输模型，构建电压模型，以根据燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压参数之间的关系，揭示氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系；步骤E、根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，结合多点电压数据，分解计算阳极流道中的氢气浓度，进而获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于：所述步骤B中，两个腔体的气体动态模型如下：(1)阳极入口腔体中不同气体动态模型：其中，是阳极入口腔体中的氢气压力，V
an
是阳极的体积，R是理想气体常数，T
fc
是电堆的温度，是进入阳极入口腔体的氢气摩尔流速，是进入阳极的氢气摩尔分数，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氢气摩尔流速，是阳极入口腔体中氢气摩尔分数，i1是阳极入口处半电池的电流，F是法拉第常数，A是电池的活性面积，N是电池的片数，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极入口腔体中的氮气压力，是阳极入口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体中的水蒸气压力，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量，P
an,ch1
是阳极入口腔体的气体压力，是阳极入口腔体中的氢气摩尔分数；(2)阳极出口腔体中不同气体动态模型：
其中，是阳极出口腔体中的氢气压力，是进入阳极入口腔体中的氢气摩尔分数，是排出阳极的氢气摩尔流速，是排出气体的氢气摩尔分数，i2是阳极出口处半电池的电流，是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极出口腔体中的氮气压力，是阳极出口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，是排出的氮气摩尔流量；是阳极出口腔体中的水蒸气压力，是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，是阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳平，朱维，唐伟，沈军，
申请(专利权)人：海卓动力青岛能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：