一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法

：本发明属于质子交换膜燃料电池发电效率领域，涉及一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法。

背景技术

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背景技术：

1、随着化石燃料储量的减少和环境污染问题的日益严重，开发清洁能源已成为影响社会经济发展的热门话题。燃料电池发电技术是基于化学能量转换，其发电效率和输出功率高于传统的热能发电，而且燃料电池排放的污染很小，因此燃料电池被视为未来发电的最佳选择。在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuelcell，pemfc)因其具有能量转换效率高、清洁无污染等优点，已被广泛应用于许多实际应用中，如车辆、船舶、飞机和微电网等。

2、质子交换膜燃料电池是一种将氢能转化为电能的发电装置。由于氢气是一种昂贵的源，且存储困难，致使整个燃料电池在实际应用中成本较高。因此，随着pemfc发电技术应用范围的快速扩展，行业对pemfc的要求不仅仅停留于燃料电池堆能够快速、稳定的满足不同范围的负载需求，还要求燃料电池具有较高的发电效率，起到节能降耗的作用。然而，质子交换膜燃料电池电堆发电效率随着电堆输出功率的增大而逐渐减小，对于输出功率和发电效率这种负相关，如何权衡两者之间的关系，使电堆的输出功率既能达到负载的需求，又有较高的发电效率，已然成为新能源领域专家与学者研究的重点对象。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为解决质子交换膜燃料电池发电效率存在的上述问题，本说明书提出了一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法。其特征在于：通过对所建立的质子交换膜燃料电池发电效率理论模型分析得出，随着燃料电池输出功率的增大，电堆的发电效率逐渐减小。在满足负载稳定运行的条件下，当电堆输出功率按照负载所需功率运行，且以燃料电池总内阻最小为控制目标时，使用拉格朗日乘数法获得以负载所需功率输出下电堆总内阻最小时的工作温度、工作湿度以及输出电压，此工况下可提高燃料电池的发电效率。具体的步骤如下：

2、步骤一：燃料电池堆的发电效率ηstack的表达式如式(1)所示：

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4、式(1)中，为氢气摩尔质量，kg/mol；n为电池片数；u为电堆输出电压，v；f为法拉第常数；为氢气低热值；

5、步骤二：由于极化过电压损失的影响，使得燃料电池在实际工作状态下，电堆的实际输出电压低于理论电压值，因此燃料电池堆的实际输出电压如式(2)所示：

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7、式(2)中，eocv为电堆开路电压，v；rf为活化内阻，rm为欧姆内阻，rd为浓差内阻，ω·cm2；α为电化学反应速率参数；n为电化学反应转移电子数；f为法拉第常数；r为理想气体常数；i0为t0温度下的交换电流密度，i为tstack温度下的电流密度，a/cm2；t0为电堆的标准温度，tstack为电堆的工作温度，k；δ为扩散层厚度，μm；cg为反应物总浓度，mol/l；deff为运行状态的水迁移系数，j/(k·mol)；tm为质子交换膜的厚度，μm；a为电化学反应面积，cm2；λm为质子交换膜含水量；α1～α7均为模型经验参数；

8、综上，结合式(1)、(2)可得燃料电池发电效率ηstack的具体表达式如式(3)所示：

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10、步骤三：电堆的实际输出电流密度i和输出电压u的关系如式(4)所示：

11、i＝p/(ua)                               (4)

12、将电流密度的表达式(4)代入燃料电池发电效率ηstack的表达式(3)中，可以得到燃料电池发电效率ηstack与工作温度、工作湿度以及输出电压相关的表达式，其表达式如式(5)所示：

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14、通过对式(5)所示的燃料电池发电效率理论模型分析得出，在燃料电池工作温度、工作湿度以及输出电压恒定的情况下，随着电堆输出功率的增大，电堆的发电效率逐渐减小。在满足负载稳定运行的条件下，当电堆输出功率按照负载所需功率运行，且以燃料电池总内阻最小为控制目标时，存在最优的操作条件使燃料电池的发电效率得到提高。

15、步骤四：将电堆的总内阻rstack作为优化目标，总内阻rstack的表达式如式(6)所示；约束函数作为其约束条件，约束函数的表达式如式(7)所示；引入拉格朗日乘数法进行操作条件优化求解。

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18、当时即为电堆输出功率按照负载所需功率运行，为求总内阻函数rstack在约束函数下的最小值，依据拉格朗日乘数法的核心公式，构造一个辅助计算的实数λ，使得两者的梯度相加为零，其表达式如式(8)所示：

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20、步骤五：式(8)中的梯度可以通过总内阻rstack和约束函数分别对温度tstack、湿度rhstack以及输出电压u求偏导得到，式(8)可以写成如下分量的形式；

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24、步骤六：当电堆输出功率按照负载所需功率运行时，求燃料电池总内阻最小处的操作条件需要满足式(9)～(11)都等于0。因此将式(7)、(9)、(10)、(11)四个方程联立成拉格朗日方程组，此时具有约束条件的非线性规划问题就变成了求解非线性方程组的问题。

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26、当非线性方程组所有等式均成立时，所求的解集即为电堆总内阻最小处的解集。由于该方程组是一个多元非线性方程组，使用牛顿迭代法进行求解。此时求解得到的温度tstack、湿度rhstack以及输出电压u是以负载所需功率输出下电堆的最优操作条件，该操作条件提高了燃料电池的电堆发电效率。将求得的温度tstack、湿度rhstack以及输出电压u代入公式(5)计算得到燃料电池的发电效率。

技术特征：

1.一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将电堆发电效率理论模型与电堆输出功率表达式相结合，得到电堆发电效率与电堆输出功率有关的表达式：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过拉格朗日乘数法所求得的燃料电池工作温度tstack、工作湿度rhstack以及输出电压u是以负载所需功率输出下电堆的最优操作条件，将求得的温度tstack、湿度rhstack以及输出电压u代入公式(5)计算得到燃料电池在当前功率输出下的发电效率。

技术总结
一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法。包括：通过对所建立的质子交换膜燃料电池发电效率理论模型分析得出，随着燃料电池输出功率的增大，电堆的发电效率逐渐减小。在满足负载稳定运行的条件下，当电堆输出功率按照负载所需功率运行，且以燃料电池总内阻最小为控制目标时，使用拉格朗日乘数法获得当前功率输出下电堆总内阻最小时的工作温度、工作湿度以及输出电压，此工况下可提高燃料电池的发电效率。将求得的工作温度、工作湿度以及输出电压代入燃料电池发电效率理论模型能够计算出燃料电池在当前功率输出下的发电效率。

技术研发人员：卫东,马玉河,崔健,向志平
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12