[發明專利]一種利用時滯信息的陰極開放式燃料電池熱管理系統及方法

有效

• 申請號: 202011513595.2
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112652794B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 王亞雄;陳銓;林飛;陳錦洲
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/04992
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 錢莉;蔡學俊

1.一種利用時滯信息的陰極開放式燃料電池熱管理方法，其特征在于：所述方法采用熱管理系統實現，所述熱管理系統包括陰極開放式燃料電池、外接負載、PC上位機、ArduinoNano開發板、溫度傳感器、直流電機PWM調速模塊和直流風扇組；所述陰極開放式燃料電池與外接負載連接，用以為外接負載供電；所述溫度傳感器用于讀取所述陰極開放式燃料電池的溫度信息；所述ArduinoNano開發板分別與所述溫度傳感器和所述上位機連接，用以將所述溫度傳感器讀取的溫度信息通過所述ArduinoNano開發板上傳到所述PC上位機進行實時監控，并通過所述PC上位機將帶有時滯信息的控制器計算程序下載至所述ArduinoNano開發板中以實時計算控制率；所述ArduinoNano開發板還與所述直流電機PWM調速模塊連接，所述直流電機PWM調速模塊還與所述直流風扇組連接，用以將ArduinoNano開發板實時計算的控制率以PWM信號傳至直流電機PWM調速模塊對所述直流風扇組進行轉速控制，進而對電堆溫度有效控制以實現燃料電池熱管理；所述管理方法包括以下步驟：

步驟S1：針對陰極開放式燃料電池熱特性搭建考慮燃料電池電堆電壓與含水量關系的電堆溫度動態描述模型，用以描述電堆溫度的動態變化特性；

步驟S2：通過電堆溫度動態描述模型中可測物理量包括電堆溫度和控制輸入的時滯信息設計燃料電池電堆熱管理控制器，利用時滯信息能夠消除燃料電池溫度數學模型中的不確定性和包括環境溫度和工作電流在內的已知干擾與未知擾動；

步驟S3：采用燃料電池電堆溫度及其變化率觀測系統，來估計燃料電池電堆溫度及其變化率，并將觀測后的電堆溫度及其變化率代入燃料電池電堆熱管理控制器控制率中以減小溫度測量噪聲對陰極開放式燃料電池熱穩定性的影響：

步驟S1中所述陰極開放式燃料電池電堆電壓與含水量兩者關系為：

V_st＝n_cellV_cell＝n_cell(E_nernst(T_st)-V_act(T_st,i_st,s_CCL)-V_ohm(T_st,i_st)-V_con(i_st))；

其中，n_cell是燃料電池單體數量，V_cell是燃料電池單體電壓，T_st是電堆溫度，i_st是電堆電流，S_CCL是陰極催化層含水量，E_nernst、V_act、V_ohm和V_con分別是能斯特電壓、活化極化電壓、歐姆極化電壓和濃度極化電壓，采用以下公式描述：

V_ohm(T_st,i_st)＝i_st(R_M(i_st,T_st)+R_C)；

V_con(i_st)＝-Cln(1-i_st/i_max)；

其中，P_H2是氫氣壓強，P_O2是氧氣壓強，R，a，n，C和F均為系統常數，R_M和R_C分別是電子和質子穿過膜時的阻抗，i₀(T_st,S_CCL)是交換電流密度，通過以下公式確定：

其中，R，a，n，和F均為系統常數，i_ref是內部電流密度，T_ref是參考環境溫度，A_opt和S_opt分別是最佳電極表面粗糙度和最佳液態水飽和度，ΔG是電池活化阻抗。

2.根據權利要求1所述的一種利用時滯信息的陰極開放式燃料電池熱管理方法，其特征在于：所述溫度傳感器采用的是微型熱電偶。

3.根據權利要求1所述的一種利用時滯信息的陰極開放式燃料電池熱管理方法，其特征在于：所述直流電機PWM調速模塊采用的是型號為XH-M222的調速模塊。