基于内阻特性的水冷型PEMFC输出性能优化与评价

能源短缺是人类发展面临的严峻问题,传统的化石能源储量有限,并且在燃烧过程中会释放大量污染性气体,已然不符合当今世界绿色生态发展理念的要求。燃料电池发电技术以其清洁无污染、低温启动快、功率密度高、使用寿命长等优点,具有光明的应用开发前景。在燃料电池实际工作中,电堆是整个系统的核心部件,其内部的水热管理状态是影响系统输出性能的关键因素。本文针对电堆的水热管理进行深入研究,首先,根据等效电路模型,分别建立了各段内阻与温湿度操作条件机理模型,操作条件之间耦合模型,以总内阻最小为寻优原则,寻得了不同电流密度对应的最佳温湿度,并研究之间变化规律,拟合经验公式,为后续控制奠定基础。其次,针对电化学阻抗谱法测试时间长、滞后性大的缺点,提出了一种基于频率正割角的输出性能优化方法,通过检测高频转折频率和最高频率两个频率点的响应信号,计算出两点连线与实轴的夹角——频率正割角a,并结合欧姆内阻R_m,通过与最优工况时的a_优、R_(m优)对比,调节相关控制变量使a、R_m趋向a_优、R_(m优),达到优化输出性能的目的。然后,提出一种以内阻为评价指标的组件退化计算方法,在小区间频率范围内扫频搜寻低频转折频率点,快速检测出不同退化程度电堆的各段内阻值,并拟合经验公式;使用曲线相似度函数进行相似度计算,通过重心法得到整体性能的相似度差异,完成输出性能的量化评价。最后,搭建实验平台,对所提的组件退化算法进行实验验证,结果验证了方法的有效正确性。