基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，包括如下步骤：1.电压传感器实时监测氢燃料电池电堆的输出电压，压力传感器实时监测阴阳两极的气体压力，包括：阳极侧氢气压力、阳极侧水蒸气压力、阳极总体压力、阴极侧氧气压力、阴极侧水蒸气压力、阴极侧氮气压力、阴极总体压力；2.根据输出电压及气体压力分别计算阴极流场内的含水量、阳极流场内的含水量以及膜含水量；3.依据阴阳两极内的水质量流量及膜含水量修正进气相关参数，包括：反应气体温度、反应气体相对湿度、工作温度以及反应气体质量流量。本发明专利技术提出的方法实现了氢燃料电池系统的水平衡状态的准确判断，改善了水平衡控制的控制精度和实时性。时性。时性。

【技术实现步骤摘要】
基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法


[0001]本专利技术涉及一种氢燃料电池系统的水平衡控制策略，尤其涉及一种基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池系统是一种清洁、高效的发电系统，其排放物只有水，然而在氢燃料电池系统中水分的不平衡会直接影响氢燃料电池系统的性能和寿命。在保证质子交换膜有充足的水含量的同时，要防止阴极的水淹现象及阳极的脱水现象，如果水分太少，质子传递的阻力增大，欧姆极化加剧。如果水分太多，水蒸气将在燃料电池的电极多孔介质毛细孔中形成液态水，堵塞反应气体向催化剂层传递的通道，浓差极化加剧，对电堆输出电压的实时监测会直接、高效的反映出氢燃料电池系统的水平衡状态，因此本专利技术所提出的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统的水平衡控制策略将为解决此问题提供理论与现实依据。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提出一种基于电堆输出电压的氢燃料电池系统的水平衡控制策略，实时监测电堆输出电压，并修正气体湿度、气体温度、气体质量流量，提高氢燃料电池系统的水平衡控制的控制精度和实时性。
[0004]本专利技术提供的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，包括如下步骤：
[0005]步骤1，使用电压传感器检测氢燃料电池电堆输出电压，使用压力传感器实时监测阴极、阳极流场内的气体压力；
[0006]步骤2，根据步骤1中检测到的电堆输出电压以及各气体压力计算阴极流场内的含水量、阳极流场内的含水量以及膜含水量；
[0007]步骤3，根据步骤2中计算得到的阴阳两极以及膜的含水量修正进气的相关参数，并重复步骤1至步骤2对氢燃料电池系统的水平衡进行持续的检测控制。
[0008]进一步，所述步骤1中的气体压力，包括：阳极侧氢气压力、阳极侧水蒸气压力、阳极总体压力、阴极侧氧气压力、阴极侧水蒸气压力、阴极侧氮气压力、阴极总体压力；
[0009]进一步，所述步骤1中的氢燃料电池输出电压的电压模型为：
[0010]V＝n(E
‑
V
h
‑
V
oh
‑
V
n
)
[0011]式中，V为电堆输出电压，n为单电池个数，E为热力学电动势，V
h
为活化极化电压，V
oh
为欧姆极化电压，V
n
为浓差极化电压，具体可表示为：
[0012][0013]式中，T
st
为电堆温度，为阳极侧氢气压力，为阴极侧氧气压力，i
′
为电流密度，v0，v
a
以及C具体可分别表示为：
[0014][0015]式中，P
an
为阳极总体压力，P
ca
为阴极总体压力，为温度为T
st
时的水饱和蒸汽压力，具体表达式为：
[0016][0017]进一步，所述步骤2中的阴极流场内的含水量及阳极流场内的含水量计算公式为：
[0018][0019]式中，λ为含水量，a为水的活度，下角标i可分别表示阴极流场(ca)和阳极流场(an)，水的活度a可具体表示为：
[0020][0021]式中，W为气体质量流量，P为气体压力，下角标H2O、O2、N2、H2分别表示水蒸气、氧气、氮气、氢气。
[0022]进一步，所述步骤2中的膜含水量的计算公式为：
[0023][0024]式中，λ
mem
为膜含水量，σ
mem
为膜导电率。
[0025]进一步，所述步骤3中的进气相关参数，包括：反应气体温度、反应气体相对湿度、工作温度以及反应气体质量流量，并重复步骤1至步骤2对氢燃料电池系统的水平衡进行持续的检测控制。
[0026]与现有技术相比，提高了氢燃料电池系统的水平衡状态判断的准确性，改善了水平衡控制的控制精度和实时性。
附图说明
[0027]图1为本申请基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法的流程示意图；
[0028]图2为实施例中氢燃料电池系统电堆电压结构框图；
[0029]图3为实施例中氢燃料电池电堆电压输出模型。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：
[0031]本专利技术可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0032]如图1所示的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，包括以下步骤：
[0033]步骤1，假设使用电压传感器检测到氢燃料电池电堆输出电压为V，使用压力传感器实时监测到阴极、阳极流场内的气体压力分别为：阳极侧氢气压力、阳极侧水蒸气压力、阳极总体压力、阴极侧氧气压力、阴极侧水蒸气压力、阴极侧氮气压力、阴极总体压力；
[0034]氢燃料电池系统电堆输出电压的结构框图见图2，使用MATLAB/SIMULINK建立的电压输出模型见图3。
[0035]氢燃料电池系统电堆输出电压的数值模型为：
[0036]V＝n(E
‑
V
h
‑
V
oh
‑
V
n
)
[0037]式中，V为电堆输出电压，n为单电池个数，E为热力学电动势，V
h
为活化极化电压，V
oh
为欧姆极化电压，V
n
为浓差极化电压，具体可表示为：
[0038][0039]式中，T
st
为电堆温度，为阳极侧氢气压力，为阴极侧氧气压力，i
′
为电流密度，v0，v
a
以及C具体可分别表示为：
[0040][0041]式中，P
an
为阳极总体压力，P
ca
为阴极总体压力，为温度为T
st
时的水饱和蒸汽压力，具体表达式为：
[0042][0043]步骤2，根据步骤1中检测到的电堆输出电压以及各气体压力计算阴极流场内的含水量、阳极流场内的含水量以及膜含水量；
[0044]其中，阴极流场内的含水量及阳极流场内的含水量计算公式为：
[0045][0046]式中，λ为含水量，a为水的活度，下角标i可分别表示阴极流场(ca)和阳极流场(an)，水的活度a可具体表示为：
[0047][0048]式中，W为气体质量流量，P为气体压力，下角标H2O、O2、N2、H2分别表示水蒸气、氧气、氮气、氢气。
[0049]膜含水量的计算公式为：
[0050][0051]式中，λ
mem
为膜含水量，σ
mem
为膜导电率。
[0052]步骤3，根据步骤2中计算得到的阴阳两极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，检测氢燃料电池电堆输出电压，实时监测阴极、阳极流场内的各气体压力；步骤2，根据所述电堆输出电压以及各气体压力计算阴极流场内的含水量、阳极流场内的含水量以及膜含水量；步骤3，根据所述阴极流场内的含水量、阳极流场内的含水量以及膜含水量修正进气参数，并重复步骤1至步骤2对氢燃料电池系统的水平衡进行持续的检测控制。2.根据权利要求1中所述的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1中的各气体压力，包括：阳极侧氢气压力、阳极侧水蒸气压力、阳极总体压力、阴极侧氧气压力、阴极侧水蒸气压力、阴极侧氮气压力、阴极总体压力。3.根据权利要求1中所述的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1中的氢燃料电池输出电压的计算公式：V＝n(E
‑
V
h
‑
V
oh
‑
V
n
)式中，V为电堆输出电压，n为单电池个数，E为热力学电动势，V
h
为活化极化电压，V
oh
为欧姆极化电压，V
n
为浓差极化电压。4.根据权利要求1中所述的基于电堆输出电压的氢燃料电池系统水平衡控制方法，其特征在于，所述浓差极化电压V
n
具体可表示为：式中，T
st
为电堆温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭硕，赵又群，潘陈兵，张桂玉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：