- 作者:卫东,高志,李志勇,徐创,王央康,常亚文
- 申请人:中国计量大学
- 国省名称:浙江省
- 公开号:CN106450388B
- 公开日:2019-07-05
- 专利类别:发明授权
- 文件大小:976.1KB
专利主权项:
1.一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法,其特征在于:通过机理建模得到燃料电池总内阻与温度模型,以总内阻最小为寻优原则,仿真得出不同电流密度下对应的最佳温度;再建立电池温度与控制变量的热管理模型,根据最优温度与当前温度的偏差,计算出控制变量的调节大小,作用于相关控制装置对温度进行实时的调节,具体步骤如下:步骤一:燃料电池输出性能损耗的根本原因是活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd的存在,堆内温度通过影响电化学反应和传质传热过程直接影响各段内阻;根据等效电路模型,建立电池总内阻与温度模型如下: 其中Rstack为电池总内阻;R为理想气体常数,8.316;α为电化学反应速度参数;n为氢气反应转移的电子数,n=2;F为法拉第常数,96485.3;Tstack为电堆温度,K;T0为环境温度,K;tm为质子交换膜厚度,μm;β为电导率系数,kg;τ为电化学反应转移粒子摩尔数,mol;δ为扩散层厚度,μm;S为催化层面积,cm2;Cg为反应物总浓度,mol/L;Deff为水迁移系数,J/(K·mol);N为单片电池数;λ为膜水活性;步骤二:电池运行过程中会伴随着热量的生成与散失,堆内热量变化的主要原因有:电化学反应生成的热量ΔQ1、冷却水带走的热量ΔQ2、尾气排放带走的热量ΔQ3; 基于能量守恒定律,建立热管理模型如下: 式中:t为采样时间;tP为尾气排放间隔时间;t’为尾气排放时间;qf为冷却水流量,kg/min;ΔT为堆内温度变化值,K;为环温饱和蒸汽密度,kg/m3;堆内饱和蒸汽密度,kg/m3;va、vc为阴、阳极进气流量,L/min;Cair,c、Cstack分别为水蒸气、氢气、空气、电堆比热容,kJ/kg·℃;RHa,in、RHc,in分别为氢气和空气进气加湿度;Te为环境温度,K;为汽化水质量;r为水蒸气汽潜热,40.2kJ/mol;k为换热效率;步骤三:对模型(1)进行仿真,以总内阻Rstack最小为寻优原则,确定活化段、欧姆段、浓差段电池工作的最佳温度;再基于实验在仿真得出的最优温度小区间内再次进行寻优,确定精确的最优温度大小;并根据实验数据,对模型(1)、(2)中的可变参数进行优化,提升模型精度;步骤四:基于上述结论,阻抗测试仪依次向电堆发射高频到低频小幅振荡的交流电信号,根据响应信号计算出当前电流下的段内阻Rf、Rm、Rd与总内阻Rstack,将信号发送给信号处理器,信号处理器基于模型(1)计算出当前电流下的堆内温度Tstack,并与最优温度值T优对比产生偏差信号ΔT传输给温度控制器;温度控制器根据模型(2)计算出主控变量qf的调节大小,过程中考虑辅控变量tP、t’对温度影响较小,先将其设为常规定值,待qf调节完毕后进行温度的微调即可。
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