[发明专利]一种面向不同功率输出的PEMFC操作条件寻优方法

说明书

一种面向不同功率输出的PEMFC操作条件寻优方法，包括：本发明旨在通过基于电堆内阻模型与U‑I模型利用拉格朗日乘数法计算直接找到燃料电池的最优操作条件。该方法通过理论的方法可以在不同负载功率下求出最优操作条件，该方法体现了控制的及时性和智能性，能随着外部负载变化自动调整电堆操作条件。

技术领域:

本发明涉及一种面向不同功率输出的PEMFC操作条件寻优方法。

背景技术:

随着现代社会科技的持续发张，能源短缺问题已成为抑制发展的重要问题之一。因此寻找开发新型的可持续能源已成为当务之急，而氢气这一清洁能源逐渐得到人们的重视，氢氧燃料电池在近几年中体现了其巨大的潜力。燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点符合可持续发展的理念，而燃料电池中的佼佼者质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)在除上述有点外更具有功率密度高、低温启动等优点，又能非常贴合人们的日常生活，已成为研究的热点之一。

PEMFC电堆的输出性能受温度、湿度和压力等操作条件的影响，尤其是在外部负载发生变化时，电堆操作条件若不能及时的做出改变，会导致电堆供应功率不足会过溢，这不仅增加了能源的损耗，甚至也会对电堆带来不可逆的损害。因此，随着外部负载发生变化应及时的调整电堆的操作条件，使电堆一直处于舒适的工作状态。

目前为止比较常用的PEMFC操作条件寻优方法比较偏向于扰动法进行调整，然而弊端也是显而易见的，并不能及时做出调整往往会导致一定能源的损耗，甚至于导致电堆出现不可逆的损害。现有的方法对于燃料电池的输出性能优化，均有所改善和利用，但总的来说，对于燃料电池来说输出性能优化方法的精确度和操作上，还是存在不少问题没有得到解决和创新。

发明内容：

在实际的燃料电池工作时，负载的变化往往会使得电堆脱离舒适工作的状态，此时原先设定的燃料电池外部操作条件不能及时的做出改变，则会导致电堆输出功率溢出或者不足。若按先前手动调整电堆操作条件来符合电堆的负载变化，却是缺失及时性以及操作较为繁琐。

本发明基于电堆内阻特性模型，使用高等数学中拉格朗日乘数法的想法，可于不同电流密度与不同负载条件下，求出此时电堆最优操作条件，即电堆所需温度与湿度值。该方法为面向不同功率输出下均能自动的调节电堆到最优的温湿度，使得电堆调控更偏向于智能化与自动化。

为达到上述目的，本发明所叙述的基于不同负载下的PEMFC最优操作条件直接计算方法有以下的步骤：

步骤一：求出燃料电池等效内阻模型，R_f、R_m与R_d的表达式。则电堆总内阻R_stack如式：

R_stack＝R_f+R_m+R_d (1)

其中RH_stack为电堆工作湿度；E_ocv开路电压，V。只考虑温度与湿度为变量电堆总内阻表达式也可表达为R_stack＝f(T_stack，RH_stack)。

步骤二：由U-I曲线分为活化段、浓差段和欧姆段，其电压输出公式如下所示：

U_stack＝E_ocv-i(R_f+R_m+R_d) (2)

E_ocv是燃料电池开路电压。

结合功率公式：