一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略与流程

本发明燃料电池氢气浓度估计与控制领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略。

背景技术：

1、近年来，燃料电池发动机受到越来越多的关注，燃料电池发动机由燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制器系统等组成。空气供给系统和氢气供给系统分别将空气和氢气泵送到燃料电池堆的阴极和阳极。氢气在阳极被氧化成氢离子，并通过质子交换膜迁移至阴极，与阴极的氧气发生还原反应生成水。在此过程中，需要为燃料电池泵送超量多的氢气和空气，防止出现燃料饥饿的故障。

2、出于节约成本的考虑，循环利用超量的氢气，氢气供给系统中会设置循环泵，将排出阳极的氢气和水蒸气再泵送至阳极入口。由于在燃料电池工作过程中，氮气会从阴极渗透至阳极；而氢气会从阳极渗透至阴极。这样不可避免的会降低阳极侧的氢气浓度，另外由于氢气循环的作用，从阴极穿越过来的氮气会在阳极腔体内不断积累，降低阳极侧的氢气浓度，无法实现阳极氮气浓度的准确和在线观测，无法实现有效的净化。目前已有研究中还没有能够稳定地实现阳极氮气浓度的在线观测。最终导致燃料电池性能降低和寿命衰减。

3、并且，传统的氢气估计方法并不适用于商业尺寸燃料电池发动机，由于功率要求，商业尺寸燃料电池的活性面积大多超过250cm2，活性面积的增加会导致燃料电池面内组分分布不均，加剧沿气体流道的气体浓度损失。这导致在阳极入口和阳极出口位置分别采集的电压不相等，以往估计方法中，将阳极气体浓度均一化，并不适合估计商业尺寸燃料电池阳极的氢气浓度。

技术实现思路

1、本发明针对商业尺寸燃料电池发动机系统运行过程中阳极氢气浓度在线观测的问题，提出一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略，基于多点电压监控方法，提出阳极氢气浓度估计策略，实现阳极氢气浓度的在线观测，为调节燃料电池的氢气供应技术提供技术支持。

2、本发明是采用以下的技术方案实现的：一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，包括以下步骤：

3、步骤a、采用多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；

4、步骤b、基于多点电压数据建立阳极两腔体气体动态模型；

5、将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，两个腔体在电路上并联，在气路上串联，氢气先经过阳极入口腔体，在阳极入口腔体中发生反应后再进入阳极出口腔体，分别构建两个腔体的气体动态模型；

6、步骤c、基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型；

7、步骤d、根据步骤b构建的气体动态模型和步骤c构建的跨膜传输模型，构建电压模型，以根据燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压参数之间的关系，揭示氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系；

8、步骤e、根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，结合多点电压数据，分解计算阳极流道中的氢气浓度，进而获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度。

9、进一步的，所述步骤b中，两个腔体的气体动态模型如下：

10、(1)阳极入口腔体中不同气体动态模型：

11、

12、

13、

14、

15、

16、其中，是阳极入口腔体中的氢气压力，van是阳极的体积，r是理想气体常数，tfc是电堆的温度，是进入阳极入口腔体的氢气摩尔流速，是进入阳极的氢气摩尔分数，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氢气摩尔流速，是阳极入口腔体中氢气摩尔分数，i1是阳极入口处半电池的电流，f是法拉第常数，a是电池的活性面积，n是电池的片数，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极入口腔体中的氮气压力，是阳极入口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体中的水蒸气压力，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量，pan,ch1是阳极入口腔体的气体压力，是阳极入口腔体中的氢气摩尔分数；

17、(2)阳极出口腔体中不同气体动态模型：

18、

19、

20、

21、

22、

23、其中，是阳极出口腔体中的氢气压力，是进入阳极入口腔体中的氢气摩尔分数，是排出阳极的氢气摩尔流速，是排出气体的氢气摩尔分数，i2是阳极出口处半电池的电流，是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极出口腔体中的氮气压力，是阳极出口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，是排出的氮气摩尔流量；是阳极出口腔体中的水蒸气压力，是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量；pan,ch2是阳极出口腔体的气体压力；是阳极出口腔体中的氢气摩尔分数。

24、进一步的，所述步骤c中，所构建的气体跨膜传输模型如下：

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、其中，kh2是氢气的渗透系数，kn2是氮气的渗透系数，cca是阴极水浓度，can,ch1是阳极入口腔体的水浓度，can,ch2是阳极出口腔体的水浓度，nd是电渗阻力系数，dw是反渗系数。

32、进一步的，所述步骤d中，所构建的电压模型如下：

33、

34、

35、其中，vfc1和vfc2是采用多点电压获取的燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压，a0是气体压力参数，psat是大气压力，是阴极侧的氧气浓度，其中是由nernst方程计算的开路电压，vact是活化电压损失，vohm是由聚合物膜对细胞的电阻造成的欧姆电压损失，vconc是反应物在反应中消耗时浓度下降造成的浓度电压损失。

36、本发明另外还提出一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法的控制策略，根据获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度，提出氢气浓度评估指数与氢气控制策略，假设第一片电池阳极入口腔体中的氢气浓度是则阳极出口腔体中的氢气浓度是设第j片电池的阳极入口腔体中的氢气浓度是则阳极出口腔体中的氢气浓度是根据k值将燃料电池划分为四个状态，具体如下：

37、

38、其中，n是电池的片数，如果

39、1＜k≤1.5，k＝1.5；

40、1.5＜k≤2，k＝2；

41、2＜k≤2.5，k＝2.5；

42、2.5＜k，k＝3；

43、其中，k＝1.5时，不需要排氢措施；当k＝2时，将排氢频率提升8-15％；当k＝2.5时，将排氢频率提升15-25％，并增大氢喷比例阀开度；当k＝3时，及时报警

44、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

45、本方案主要针对商业尺寸燃料电池，检测阳极出口位置的氢气浓度；将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，并分别搭建了气体动态模型、气体渗透模型和电压模型，以此来反映沿气体流道的氢气浓度损失；建立氢气浓度和电压动态关系的表达式，以多点电压数据表征对应位置的氢气浓度；能够更加准确的描述燃料电池内部气体组分变化，提高控制效果。