[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于特征頻率計(jì)算的燃料電池輸出性能優(yōu)化方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010690314.4
• 申請(qǐng)日: 2020-07-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111832178A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 衛(wèi)東;高志;沈永超
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;H01M8/04537;H01M8/04992;G01R31/389;G01R31/378;G01R23/07
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一種基于特征頻率計(jì)算的燃料電池輸出性能優(yōu)化方法，包括：本發(fā)明方法是在PEMFC總內(nèi)阻R_stack最小的最優(yōu)溫濕度工況下，測(cè)出此時(shí)的電堆各段內(nèi)阻值大小，相應(yīng)的得到不同電流密度下的理想高頻轉(zhuǎn)折頻率f_優(yōu)和理想頻率特征值X_優(yōu)；依此為優(yōu)化指標(biāo)，針對(duì)任意工況下的電堆，只需發(fā)射最高頻(20KHz)和理想轉(zhuǎn)折頻率f_優(yōu)兩組頻率信號(hào)監(jiān)控當(dāng)前的頻率特征值X，通過(guò)不停的調(diào)節(jié)相關(guān)控制變量改變當(dāng)前X使其趨向于最優(yōu)X_優(yōu)，就可以將電堆調(diào)節(jié)到最佳工作狀態(tài)；本發(fā)明將X與X_優(yōu)進(jìn)行比較與優(yōu)化，既從內(nèi)阻角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)PEMFC電堆輸出性能的優(yōu)化，又克服了傳統(tǒng)EIS法滯后性大、無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)的缺點(diǎn)，較傳統(tǒng)方法操作更加簡(jiǎn)單、優(yōu)化性能更佳。

技術(shù)領(lǐng)域:

本發(fā)明涉及一種基于特征頻率計(jì)算的燃料電池輸出性能優(yōu)化的方法。

背景技術(shù):

能源是人類(lèi)生存發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和文明進(jìn)步起著巨大的推動(dòng)作用，沒(méi)有能源就沒(méi)有現(xiàn)代文明。隨著傳統(tǒng)的化石能源的日趨枯竭，21世紀(jì)的人們將更注重于新型的可持續(xù)能源的開(kāi)發(fā)與利用。燃料電池是一種可以利用氫這種新型能源作燃料，不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程的低污染、高效的發(fā)電裝置，被譽(yù)為是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、原子能發(fā)電之后的第四大發(fā)電裝置。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以Nafion膜為電解質(zhì)，氧氣和氫氣作為陰陽(yáng)極反應(yīng)物，重金屬鉑/碳為催化劑，具有低溫快速啟動(dòng)、功率密度高、使用壽命長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適用于航天與軍事動(dòng)力能源、車(chē)輛動(dòng)力能源、可攜式電子產(chǎn)品小電源等移動(dòng)設(shè)備的能源供應(yīng)，具有光明的應(yīng)用前景。

目前，對(duì)PEMFC輸出性能的檢測(cè)和優(yōu)化方法研究，可分為V-I特性曲線(xiàn)法、電流斷路法、電化學(xué)阻抗譜法，V-I曲線(xiàn)法是以電池發(fā)電過(guò)程中外部特性參數(shù)為研究對(duì)象，斷流法和阻抗譜法則是根據(jù)等效電路模型，通過(guò)檢測(cè)電堆內(nèi)部特性參數(shù)進(jìn)行輸出性能研究。其中，電流斷路法在檢測(cè)過(guò)程中需要頻繁的開(kāi)斷電路，會(huì)對(duì)電路和供電系統(tǒng)造成巨大的損耗，甚至是永久性的損壞，因此，在實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，該方法并不適用。電化學(xué)阻抗譜法是使用阻抗測(cè)試儀或其他信號(hào)發(fā)射設(shè)備向燃料電池堆發(fā)射從高頻到低頻(0.01～20000Hz)的一系列小幅交流電信號(hào)，采集相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)后繪制交流阻抗譜圖，通過(guò)對(duì)阻抗譜圖的形狀、大小的分析，可以得到燃料電池堆的各阻抗信息。根據(jù)PEMFC的工作原理，可以得到如圖1所示的燃料電池的二階等效電路模型，通過(guò)分析該模型，利用EIS法測(cè)得PEMFC在不同電流密度下隨頻率變化的燃料電池的阻抗譜信息。但是，EIS法采用全局掃頻的方式，由于低頻段響應(yīng)信號(hào)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致該方法具有很大的滯后性，不利于進(jìn)行燃料電池輸出性能的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。

發(fā)明內(nèi)容：

在實(shí)際的燃料電池輸出性能優(yōu)化中，使用交流阻抗譜法測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量困難，阻抗參數(shù)擬合繁瑣復(fù)雜，操作十分不便。

本發(fā)明在交流阻抗譜法的基礎(chǔ)上提出了一種快速EIS法，根據(jù)電堆電化學(xué)阻抗譜特性曲線(xiàn)的變化規(guī)律，選取兩個(gè)特征頻率點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算兩處頻率點(diǎn)的實(shí)部和虛部求得兩點(diǎn)連線(xiàn)的頻率特征值X，通過(guò)X的大小來(lái)判斷PEMFC內(nèi)部的水熱情況，并以此作為控制依據(jù)達(dá)到更實(shí)時(shí)有效地對(duì)電堆內(nèi)部溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，優(yōu)化燃料電池輸出性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所敘述的燃料電池輸出性能優(yōu)化的方法有以下的步驟：

1.一種基于特征頻率計(jì)算的燃料電池輸出性能優(yōu)化的方法，其特征在于：在PEMFC總內(nèi)阻R_stack最小的最優(yōu)溫濕度工況下，測(cè)出此時(shí)的電堆各段內(nèi)阻值大小，相應(yīng)的得到不同電流密度下的理想高頻轉(zhuǎn)折頻率f_優(yōu)和理想頻率特征值X_優(yōu)；依此為優(yōu)化指標(biāo)，針對(duì)任意工況下的電堆，只需發(fā)射最高頻(20KHz)和理想轉(zhuǎn)折頻率f_優(yōu)兩組頻率信號(hào)監(jiān)控當(dāng)前的頻率特征值X，通過(guò)不停的調(diào)節(jié)相關(guān)控制變量改變當(dāng)前X使其趨向于最優(yōu)X_優(yōu)，就可以將電堆調(diào)節(jié)到最佳工作狀態(tài)，較傳統(tǒng)方法操作更加簡(jiǎn)單、優(yōu)化性能更佳，具體的步驟如下：