[发明专利]燃料电池阳极状态监测方法

权利要求书

1.一种燃料电池阳极状态监测方法，其特征在于，包括：

S10，构建具有盲端阳极的阳极侧的非线性动态模型，并定义所述非线性动态模型的状态变量；

S20，基于所述非线性动态模型构建无迹卡尔曼滤波观测器；

S30，获取电池参数、吹扫阀动作信号以及阳极流道压力参数；

S40，将所述电池参数、所述吹扫阀动作信号以及所述阳极流道压力参数输入至所述无迹卡尔曼滤波观测器，计算得出所述燃料电池阳极状态变量的估计值；

构建所述非线性动态模型的物理模型的状态空间描述为：

其中，W_pv为吹扫阀打开时通过的气体流量；为通过减压阀的氢气流量；λ_m为膜的含水量；分别为阴极侧催化剂层和膜界面处氧气，水蒸气和氮气的分压；分别为阳极侧催化剂层和膜界面处氧气，水蒸气和氮气的分压；R为通用气体常数；T_cell为电池温度；V_an为阳极流道体积；M_h2，M_h2o和M_n2分别为氢气，水蒸气和氮气的摩尔质量；N为电堆中串联的燃料电池数量；F为法拉第常数；和分别为阳极流道中氢气，水蒸气和氮气的质量分数；k_leak为电堆的氢气泄漏系数；k_ph2，k_po₂和k_pn2分别为氢气，氧气和氮气穿过膜的渗透系数；A_cell为单节电池的有效面积；L_m为膜的厚度；D_w表示扩散系数；ρ_m为膜的密度；为阴极侧膜的含水量；为阳极侧膜的含水量；n_d为电渗阻力系数；k_e为液态水的蒸发速率；为阳极流道体积中的液态水质量；p_sat为水蒸气饱和压力；ε为比孔隙率；ρ_lw为液态水密度；γ^pt为每单位催化剂层体积的电化学表面积；V_gdl为两个气体扩散层的体积；k＝an或ca，分别为从阳极或阴极侧流道腔室流出的气体流速；和分别为两侧流道的高度和长度；为两侧流道的气体动态粘度；为两侧流道的液态水动态粘度；为气体扩散层的水蒸气压力；τ_RH为相对湿度传感器的时间常数；

所述非线性动态模型的输出量与初始状态估计值的关系式为：

y₁＝x₁+x₂+x₃

y2＝x5

y₃＝V_cell

其中，y₁为阳极流道出口处压力传感器测得的阳极流道整体压力，x₅、y₂均为由温度传感器和相对湿度传感器测得的信号计算出的阳极流道水蒸气压力，V_cell为电压传感器测得的电池电压，为阳极侧输出端口的混合气体速度，x₁为阳极流道中的氢气分压，x₂为阳极流道中的水蒸气分压，x₃为阳极流道中的氮气分压；

所述状态变量和所述输出量的单步预测表示为：

其中，Q为过程噪声协方差矩阵；和为标准差矩阵点的权重，定义如下：

其中，β为系数；

利用所述单步预测结果，进行测量更新，以获得所述燃料电池阳极状态变量估计值；所述测量更新用以下等式来表示：

其中，C为测量噪声协方差矩阵。

2.根据权利要求1所述的燃料电池阳极状态监测方法，其特征在于，所述电池电压满足：

其中，V₀为标准压力下的能斯特电压，p₀为常数，R_cell为电池阻抗，α_c≈1，为阴极转移系数，为参考氧气摩尔浓度，为参考交换电流密度。