[发明专利]一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法

摘要

内阻直接反映燃料电池电堆内部真实的水热管理状况，本发明基于内阻检测，提出了一种温度优化及控制方法，先通过对燃料电池内部机理分析，建立燃料电池内阻模型、温度模型，再对模型进行仿真，以仿真结论为指导进行实验，通过实验得到的数据对模型参数进行优化，使模型根据符合燃料电池实际的工作状态。之后进行控制，以优化后的模型为控制基础，先通过EIS法测出电堆当前电流下总内阻与段内阻值，代入内阻模型计算出电堆内部温度大小，再将当前温度值与最优值对比，将差值代入温度模型计算出控制变量调节大小，通过对控制效果图分析，该方法可以很好地将堆内温度控制在最优值附近，并明显提高控制的实时性和稳定性，方法是有效、可行的。

主权项

1.一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法，其特征在于：通过机理建模得到燃料电池总内阻与温度模型，以总内阻最小为寻优原则，仿真得出不同电流密度下对应的最佳温度；再建立电池温度与控制变量的热管理模型，根据最优温度与当前温度的偏差，计算出控制变量的调节大小，作用于相关控制装置对温度进行实时的调节，具体步骤如下：步骤一：燃料电池输出性能损耗的根本原因是活化内阻R_f、欧姆内阻R_m、浓差内阻R_d的存在，堆内温度通过影响电化学反应和传质传热过程直接影响各段内阻；根据等效电路模型，建立电池总内阻与温度模型如下：其中R_stack为电池总内阻；R为理想气体常数，8.316；α为电化学反应速度参数；n为氢气反应转移的电子数，n＝2；F为法拉第常数，96485.3；T_stack为电堆温度，K；T₀为环境温度，K；t_m为质子交换膜厚度，μm；β为电导率系数，kg；τ为电化学反应转移粒子摩尔数，mol；δ为扩散层厚度，μm；S为催化层面积，cm²；C_g为反应物总浓度，mol/L；D_eff为水迁移系数，J/(K·mol)；N为单片电池数；λ为膜水活性；步骤二：电池运行过程中会伴随着热量的生成与散失，堆内热量变化的主要原因有：电化学反应生成的热量ΔQ₁、冷却水带走的热量ΔQ₂、尾气排放带走的热量ΔQ₃； 基于能量守恒定律，建立热管理模型如下：式中：t为采样时间；t_P为尾气排放间隔时间；t’为尾气排放时间；q_f为冷却水流量，kg/min；ΔT为堆内温度变化值，K；为环温饱和蒸汽密度，kg/m³；堆内饱和蒸汽密度，kg/m³；v_a、v_c为阴、阳极进气流量，L/min；C_air，c、C_stack分别为水蒸气、氢气、空气、电堆比热容，kJ/kg·℃；RH_a，in、RH_c，in分别为氢气和空气进气加湿度；T_e为环境温度，K；为汽化水质量；r为水蒸气汽潜热，40.2kJ/mol；k为换热效率；步骤三：对模型(1)进行仿真，以总内阻R_stack最小为寻优原则，确定活化段、欧姆段、浓差段电池工作的最佳温度；再基于实验在仿真得出的最优温度小区间内再次进行寻优，确定精确的最优温度大小；并根据实验数据，对模型(1)、(2)中的可变参数进行优化，提升模型精度；步骤四：基于上述结论，阻抗测试仪依次向电堆发射高频到低频小幅振荡的交流电信号，根据响应信号计算出当前电流下的段内阻R_f、R_m、R_d与总内阻R_stack，将信号发送给信号处理器，信号处理器基于模型(1)计算出当前电流下的堆内温度T_stack，并与最优温度值T_优对比产生偏差信号ΔT传输给温度控制器；温度控制器根据模型(2)计算出主控变量q_f的调节大小，过程中考虑辅控变量t_P、t’对温度影响较小，先将其设为常规定值，待q_f调节完毕后进行温度的微调即可。