[发明专利]一种质子交换膜燃料电池水合状态在线评估与异常自愈控制方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池水合状态在线评估与异常自愈控制方法，涉及燃料电池水合状态评估技术领域。该方法具体包括以下步骤：根据系统负荷需求得到燃料电池请求电流对应的辅机设定状态，当调节辅机运行状态达到该辅机设定状态时，将该状态作为水合状态异常自愈控制的基准运行状态；在质子交换膜燃料电池基准运行状态下，采样燃料电池请求电压序列，对燃料电池水合状态进行异常评估；基于差分电流注入原理，采样燃料电池设定电压序列，对燃料电池水合状态异常进行进一步分类；根据质子交换膜燃料电池水合状态综合评估分类结果，生成偏置请求电流信号以及迭代电流设定序列，对该质子交换膜燃料电池水合状态异常进行迭代自愈控制。

技术领域

本发明涉及燃料电池水合状态评估技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池水合状态在线评估与异常自愈控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池以其功率密度高、运行温度低、动态响应快以及环境友好等突出优点，是轨道交通、电动汽车领域最具商业化前景的燃料电池类型。随着商用质子交换膜燃料电池集成技术的发展和集成大功率质子交换膜燃料电池使用寿命的不断提高，质子交换膜燃料电池系统在分布式发电、固定电站等并网发电领域也具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池系统由质子交换膜燃料电池电堆和必要的辅机子系统构成。为了满足负荷要求，质子交换膜燃料电池电堆通常由相互串联的多个质子交换膜燃料电池单体构成，通过辅机子系统的协同控制，确保反应气体供给并维持合理的电堆温度和水合状态。作为氢氧电化学反应的界面，质子交换膜燃料电池的质子交换膜组件主要包括质子交换膜层、催化剂层和气体扩散层，由于质子交换膜燃料电池工作温度一般不超过100℃，因此，质子交换膜燃料电池水合状态，即所述质子交换膜组件的湿润程度，不仅包括质子交换膜的增湿状态，而且涉及气体扩散层的液态水饱和状态。一方面，未充分湿润的质子交换膜的质子传导率不佳，会导致质子交换膜燃料电池输出性能衰减，并且其热稳定性对增湿状态非常敏感；另一方面，质子交换膜与气体扩散层中液态水的过度累积会引起催化剂有效表面积损失，恶化高分子聚合物的溶解腐蚀和污染等材料变性，造成质子交换膜燃料电池性能衰退，降低其运行稳定性和服役寿命。由此可知，如何确保合理的质子交换膜燃料电池水合状态，对质子交换膜燃料电池系统的长时稳定运行至关重要。

目前，对质子交换膜燃料电池水合状态的评估主要依赖于交流阻抗测量方法，通过交流阻抗谱的变化来判断质子交换膜燃料电池水合状态。然而，由于需要采样不同交流频率电流下的质子交换膜燃料稳态输出电压，因而交流阻抗谱的测量难以在线进行。虽然近年来提出了多种基于随机电流信号注入和小波分解的质子交换膜燃料电池交流阻抗在线监测技术，但是由于随机电流信号注入引起的质子交换膜燃料电池输出电流纹波会恶化质子交换膜燃料电池内部电化学反应环境，并且小波分解固有的高计算复杂度使得交流阻抗计算过程难以实现与信号采样同步，限制了该技术在质子交换膜燃料电池系统水合状态评估中的应用。目前对质子交换膜燃料电池水合状态的在线评估研究仍然非常有限，而基于质子交换膜燃料电池水合状态在线评估的水合状态异常自愈控制技术及其方法更是未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种通过对质子交换膜燃料电池的注入差分电流进行迭代控制，实现质子交换膜燃料电池水合状态异常的迭代自愈控制的燃料电池水合状态在线评估与异常自愈控制方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池水合状态在线评估与异常自愈控制方法，基于质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池包括发电系统和负荷系统，发电系统包括辅机驱动子系统、电池子系统、级联变换子系统；

所述辅机驱动子系统包括辅机单元和辅机驱动控制单元；

所述电池子系统包括水合状态异常自愈控制单元、基础控制单元和燃料电池单元；

所述级联变换子系统包括级联变换控制单元和级联变换单元；

所述负荷系统包括负荷单元和负荷控制单元；