申请/专利权人：海卓动力(青岛)能源科技有限公司

申请日：2022-12-29

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN115966734B

主分类号：H01M8/0444

分类号：H01M8/0444;H01M8/04537;H01M8/04298;H01M8/04992;H01M8/04791

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2023.05.02#实质审查的生效;2023.04.14#公开

摘要：本发明公开一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略，首先，提出了一种多点电压监控方法，获取商业尺寸燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压；然后搭建阳极气体动态模型、气体渗透模型和电压模型，分别获取燃料电池阳极入口腔体和出口腔体内的氢气分压和浓度，并以此提出燃料电池氢气控制策略和评价指数。本方案针对商业尺寸燃料电池内部组分分布不均的问题，提出商业尺寸燃料电池的氢气浓度估算方法，并能够更加准确的描述燃料电池内部气体组分变化，提高控制效果，适用于商业尺寸石墨板燃料电池。

主权项：1.一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法的控制策略，其特征在于：所述估计方法包括以下步骤：步骤A、采用多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；步骤B、基于多点电压数据建立阳极两腔体气体动态模型；将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，两个腔体在电路上并联，在气路上串联，氢气先经过阳极入口腔体，在阳极入口腔体中发生反应后再进入阳极出口腔体，分别构建两个腔体的气体动态模型；步骤C、基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型；气体跨膜传输模型如下： 其中，是阳极入口腔体中的氢气压力，i1是阳极入口处半电池的电流，F是法拉第常数，A是电池的活性面积，N是电池的片数，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极入口腔体中的氮气压力，是阳极入口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氮气摩尔流量，是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，是阳极出口腔体中的氢气压力，i2是阳极出口处半电池的电流，是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；是阳极出口腔体中的氮气压力，是阳极出口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量；是氢气的渗透系数，是氮气的渗透系数，cca是阴极水浓度，can,ch1是阳极入口腔体的水浓度，can,ch2是阳极出口腔体的水浓度，nd是电渗阻力系数，Dw是反渗系数；步骤D、根据步骤B构建的气体动态模型和步骤C构建的跨膜传输模型，构建电压模型，以根据燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压参数之间的关系，揭示氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系；电压模型如下： 其中，Vfc1和Vfc2是采用多点电压获取的燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压，a0是气体压力参数，Psat是大气压力，是阴极侧的氧气浓度，其中是由Nernst方程计算的开路电压，vact是活化电压损失，vohm是由聚合物膜对细胞的电阻造成的欧姆电压损失，vconc是反应物在反应中消耗时浓度下降造成的浓度电压损失；步骤E、根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，结合多点电压数据，分解计算阳极流道中的氢气浓度，进而获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度；所述控制策略原理如下：根据获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度，提出氢气浓度评估指数与氢气控制策略，假设第一片电池阳极入口腔体中的氢气浓度是则阳极出口腔体中的氢气浓度是设第j片电池的阳极入口腔体中的氢气浓度是则阳极出口腔体中的氢气浓度是根据k值将燃料电池划分为四个状态，具体如下： 其中，N是电池的片数，如果1＜k≤1.5，k＝1.5；1.5＜k≤2，k＝2；2＜k≤2.5，k＝2.5；2.5＜k，k＝3；其中，k＝1.5时，不需要排氢措施；当k＝2时，将排氢频率提升8％-15％；当k＝2.5时，将排氢频率提升15％-25％，并增大氢喷比例阀开度；当k＝3时，及时报警。

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