[發明專利]一種質子交換膜燃料電池系統的提效增壽方法

在審

• 申請號: 202011481487.1
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112864431A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 李奇;李朔;尹良震;陳維榮
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;H01M8/04298
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟

本發明公開一種質子交換膜燃料電池系統的提效增壽方法，建立燃料電池系統考慮系統能效和壽命的綜合評價模型，開展恒流恒壓實驗，獲取系統關鍵運行參數對于系統綜合評價模型的特征映射，加入氧饑餓以及氧飽和懲罰因子作為系統最優運行區域求解的約束條件加快最優運行區域求解速率，根據約束下的全局優化策略實現系統實時最優運行區域劃分，同時考慮系統運行過程中存在的不確定性，根據系統運行狀態動態調整綜合評價模型中加權系數比值；基于數據驅動技術和有限時域滾動優化策略的自適應預測控制方法，對最優運行區域快速追蹤。能夠有效提高系統輸出能效，延長系統使用壽命，對最優運行區域跟蹤能力和外部干擾抑制能力強，保證系統穩定高效運行。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，特別是涉及一種質子交換膜燃料電池系統的提效增壽方法。

背景技術

能源與國家綜合實力和人民生活水平息息相關，是可持續發展的必需品。隨著人類社會的迅速發展，能源的需求量日益增大。傳統的化石能源日益減少，環境惡化日益嚴重，能源結構亟需改變。氫能因其效率高、無污染等優點，得到了全球范圍的廣泛認可和高度重視。作為人類社會的終極能源，氫能的大規模應用也已迎來了蓬勃期。其中燃料電池作為氫能應用的重要途徑，可以直接將化學能轉化為電能，并且具有高達40％～60％能量轉化效率、環境友好等特點，已經受到各國政府和公司的重視。

目前燃料電池已在各行業領域得到不同程度的發展，而在軌道交通領域，燃料電池的技術應用也是近些年研究的熱點問題。傳統內燃汽車雖然功率大、爬坡能力強，但有著排氣和噪聲污染環境缺點，有害健康。電動汽車以蓄電池為動力，無噪聲、無尾氣排放且操作簡單，但是成本相對較高，需要配置充電設備，續航里程短，連續作業時需要配置備用蓄電池，對路面要求高。而以燃料電池及其他儲能設備為混合動力源的汽車可有效避免這一傳統問題。

在燃料電池混合動力汽車的應用中，PEMFC系統需要提供高效的功率以滿足車輛在運行過程中的功率需求，例如快速啟動，關閉，加速和減速。在這種復雜多變的工作條件下，不可避免地會加速PEMFC性能的下降并縮短使用壽命。

現有燃料電池系統優化方法一般認為有兩種，第一種是基于最大凈功率的優化，另一種是基于最大效率的優化，基于這兩種方法的設計原理簡單，可操作性強，容易在工程上實現。不過現有方法的設計沒有考慮凈功率和效率之間的耦合特性，并且忽略了PEMFC系統的安全運行問題，在復雜多變的工作環境中，這將導致系統在多目標條件下無法實現最優運行。此外，在燃料電池系統控制器的設計上，PID控制、模糊控制、滑模控制等方法有著廣泛的應用。由于PEMFC系統是一個復雜的非線性系統，并且其工作特性會隨著負載電流的變化而變化，這些方法不能夠提供良好的動態響應，容易導致過沖和振蕩現象。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種質子交換膜燃料電池系統的提效增壽方法，不僅能夠減小過氧比超調和調節時間，提高跟蹤能力，而且能在考慮以系統能效和壽命的多目標條件下，以氧饑餓和氧飽和作為系統約束，保證系統優化指標最佳，實現穩定高效運行。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種質子交換膜燃料電池系統的提效增壽方法，包括步驟：

S10，基于質子交換膜燃料電池系統的能效和壽命，建立質子交換膜燃料電池系統綜合評價模型；

S20，開展恒流恒壓實驗，獲取質子交換膜燃料電池系統的關鍵運行參數對于綜合評價模型的特征映射關系；

S30，加入氧饑餓以及氧飽和懲罰因子作為系統最優運行區域求解的約束條件加快最優運行區域求解速率；

S40，根據約束下的全局優化策略實現系統實時最優運行區域劃分，同時考慮系統運行過程中存在的不確定性，根據系統運行狀態動態調整綜合評價模型中加權系數比值；

S50，基于數據驅動多模型滿意切換的自適應預測控制方法，實現對最優運行區域快速追蹤。