CN114784320B - 一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法 - Google Patents

一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，属于新能源发电技术领域，具体根据空冷型燃料电池电堆的参考温度‑电流曲线和保护活化电阻‑电流曲线，分别获得负载电流值对应的参考温度和保护活化电阻值，将电堆温度调节至参考温度，实时测量电堆的活化电阻值；若活化电阻值快速向对应保护活化电阻值逼近，并且有超过保护活化电阻值的趋势，则降低对应参考温度，重复直至活化电阻值趋于平稳，实现对空冷型燃料电池的阴极控制。本发明通过在参考温度控制的基础上，引入与环境条件相关的保护活化电阻值，获得一种抗环境扰动的控制方法，能够有效避免电堆电压衰减，延长电堆使用寿命，有利于与具体的工程应用相结合。

Description

一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为清洁能源的一种，具有高效、零污染物排放、长续航、工作温度低等特点，是目前新能源领域的研究热点之一。空冷型质子交换膜燃料电池省去了用于实现冷却液循环和反应气体增湿等功能的辅助设备，与传统燃料电池相比具有重量轻、效率高、结构紧凑等优点，被视为小型用电***的未来理想电源。
质子交换膜燃料电池的输出性能与其运行时的温度以及质子交换膜的含水量有很大关系，燃料电池电堆在运行时需保持合适的温度和水含量，过高或过低的温度以及水含量都会导致电堆的输出性能下降。空冷燃料电池由于没有辅助增湿设备，电堆膜含水量主要由阴极的散热风扇来调控，散热风扇在往电堆阴极输送空气的同时也负责带走电堆内部产生的热量，从而控制电堆温度。电堆内部水含量受到温度的间接影响，温度的高低会影响电堆内部水的蒸发速度，因此温度和水含量呈现耦合关系。综合来看，电堆阴极的散热风扇起到三个作用，一是往阴极输送发生电化学反应所需的空气；二是通过鼓动空气流动来控制电堆温度；三是通过控制电堆温度间接控制电堆内部水含量。许多文献都表明空冷燃料电池的阴极反应气体供应是远远足够的，因此决定电堆性能的主要因素在于通过控制阴极的散热风扇将电堆温度控制在恰当水平。
不管是采用何种具体的控制方法去控制阴极的散热风扇，控制器都需要输入一个参考温度以便于通过散热风扇将温度快速地控制在参考温度值附近。所谓参考温度，即是指在该温度下电堆的输出电压最大。电堆在不同的负载电流下有着不同的参考温度，可通过实验获得电堆在不同电流下的参考温度。但这一关系曲线只是在某一特定环境条件下测得，如果环境条件发生变化，参考温度-电流关系曲线可能会与实际存在偏差。一旦偏差过大，会导致控制器将温度控制的过高，使得电堆水含量急剧减少，从而导致电压产生不可逆的快速衰减。这也是目前学术界认为空冷燃料电池普遍存在的一个问题，即单纯的从控制温度的角度很难使电堆对环境变化有适应性。为了防止单纯的参考温度控制由于环境影响导致的较大偏差，所引起的电堆电压不可逆的快速衰减，需要在温度控制的基础上，从其他的角度发明一种抗环境扰动的空冷燃料阴极控制方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，在避免电堆电压由于参考温度控制偏差而导致出现不可逆快速衰减的前提下，实现电堆稳定的高性能输出。
本发明具体技术方案如下：
一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：打开阳极氢气进口阀门以及阴极风扇，设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤2：根据空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线和保护活化电阻-电流曲线，分别获得负载电流值为I时对应的参考温度和保护活化电阻值；
步骤3：通过控制算法将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度附近，温度调节的同时实时测量空冷型燃料电池电堆的活化电阻值；
步骤4：若活化电阻值快速向对应保护活化电阻值逼近，并且有超过保护活化电阻值的趋势，则降低对应参考温度，避免由于温度过高导致活化电阻过高，进而导致电压出现不可逆快速衰减；之后转回步骤3，直至活化电阻值趋于平稳，实现对空冷型燃料电池的阴极控制。
进一步地，所述控制算法为比例积分微分(PID)控制算法、预测控制算法、自抗扰控制算法等。
进一步地，步骤3在实时测量空冷型燃料电池电堆的活化电阻值的同时，实时监测负载电流值，若负载电流值变化为I’，则按照步骤2～4的方法以I’为负载电流值进行阴极控制。
进一步地，所述参考温度-电流曲线的获取步骤如下：
步骤A1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力至一个使得电堆输出性能良好的固定值，具体值取决于所用的燃料电池***；
步骤A2：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤A3：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤A4：阴极风扇转速受脉宽调制(PWM)信号的占空比控制，通过调节阴极风扇PWM信号占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度稳定保持在一个较低的30℃左右水平；
步骤A5：以PA为初始值，ΔP为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，观察期间电堆输出电压的变化曲线，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度即为负载电流值为I时的参考温度；
步骤A6：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤A4～A5，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到参考温度-电流曲线。
进一步地，ΔP为1％～10％，该范围基于所采用的空冷型燃料电池电堆的实际情况而选定，ΔP越小，实验的测量精度越高，但同时实验的时间成本也会相应增加。
进一步地，所述保护活化电阻-电流曲线的获取步骤如下：
步骤B1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力至一个使得电堆输出性能良好的固定值，具体值取决于所用的燃料电池***；
步骤B2：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤B3：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤B4：阴极风扇转速受PWM信号的占空比控制，通过调节阴极风扇PWM信号占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度稳定保持在一个较低的30℃左右水平；
步骤B5：向空冷型燃料电池电堆施加幅值为负载电流的百分之X的交流扰动电流，测量计算得到当前空冷型燃料电池电堆的活化电阻；
步骤B6：以PA为初始值，ΔP为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增；测试各阶梯过程的活化电阻，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，电堆输出电压开始快速衰减前最后一次测得的活化电阻即为负载电流值为I时的保护活化电阻；
步骤B7：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤B4～B6，得到不同负载电流值下的保护活化电阻，绘制得到保护活化电阻-电流曲线。
进一步地，X为1～10，该取值范围为行业普遍标准。
进一步地，所述交流扰动电流的频率范围为0.2～500Hz。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，从更深层的角度分析电堆电压衰减的原因，通过在参考温度控制的基础上，引入与环境条件相关的保护活化电阻值，获得一种抗环境扰动的控制方法，能够有效避免电堆电压衰减，延长电堆使用寿命；本方法可以通过编程实现全自动控制，实施过程简单高效，有利于与具体的工程应用相结合，便于实际地解决空冷燃料电池在工程应用中的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中负载电流值为10A时阶梯递减阴极风扇PWM信号对应的空冷型燃料电池电堆的温度变化曲线；
图2为本发明实施例1中负载电流值为10A时阶梯递减阴极风扇PWM信号对应的电堆输出电压变化曲线；
图3为本发明实施例1中获取负载电流值为10A时的参考温度的流程图；
图4为本发明实施例1中电化学阻抗谱在空冷型燃料电池***中的应用说明图；
图5为本发明实施例1中负载电流值为15A时阶梯递减阴极风扇PWM信号对应的活化电阻变化曲线；
图6为本发明实施例1中获取负载电流值为15A时的保护活化电阻的流程图；
图7为本发明实施例1提出的抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法的控制方框图；
图8为本发明实施例1提出的抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法的控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提出了一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，基于如图7所示的控制方框图实现，流程图如图8所示，包括以下步骤：
步骤1：打开阳极氢气进口阀门以及阴极风扇，设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作。
步骤2：控制器根据空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线和保护活化电阻-电流曲线，分别获得负载电流值为I时对应的参考温度T1和保护活化电阻值R1。
步骤3：温度传感器实时测量空冷型燃料电池电堆的温度，控制器通过PID控制算法控制阴极风扇，将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度T1附近；温度调节的同时电化学阻抗谱测量仪器实时测量空冷型燃料电池电堆的活化电阻值，并实时监测负载电流值。
步骤4：若活化电阻值快速向对应保护活化电阻值R1逼近，并且有超过保护活化电阻值R1的趋势，则控制器降低对应参考温度为T1-ΔT，避免由于温度过高导致活化电阻过高，进而导致电压出现不可逆快速衰减；之后转回步骤3，若在T1-ΔT的参考温度下，活化电阻值仍快速向对应保护活化电阻值R1逼近，并且有超过保护活化电阻值R1的趋势，则控制器继续降低对应参考温度为T1-2ΔT，直至活化电阻值趋于平稳。
步骤5：若在步骤4的控制过程中，负载电流值变化为I’，则按照步骤2的方法获得负载电流值为I’时对应的参考温度T2和保护活化电阻值R2，参照步骤3～4的方法进行阴极控制，最终实现对空冷型燃料电池的阴极控制。
其中，所述参考温度-电流曲线的获取过程具体包括如下步骤：
步骤A1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力至20KPa；
步骤A2：开启阴极风扇，PWM设置为10％，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤A3：设置负载电流为固定值10A，空冷型燃料电池电堆开始工作，输出恒定电流10A；
步骤A4：调节阴极风扇PWM信号至50％，使空冷型燃料电池电堆的温度保持在30℃稳定；
步骤A5：以50％为初始值，5％为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，阶梯递减的次数为K，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，温度变化曲线如图1所示，观察期间电堆输出电压的变化曲线，如图2所示，直至电堆输出电压开始快速衰减，即图2的B点，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度，即图2中A点对应的温度(图1的A点)，作为负载电流值为10A时的参考温度，流程图如图3所示；
步骤A6：设置负载电流为不同固定值(15A、20A、25A、30A以及35A)，分别重复步骤A4～A5，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到参考温度-电流曲线。
所述保护活化电阻-电流曲线的获取过程具体包括如下步骤：
步骤B1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力至20KPa；
步骤B2：开启阴极风扇，PWM设置为10％，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤B3：设置负载电流为固定值15A，空冷型燃料电池电堆开始工作，输出恒定电流15A；
步骤B4：调节阴极风扇PWM信号至50％，使空冷型燃料电池电堆的温度保持在30℃稳定；
步骤B5：基于如图4所示的***，采用电化学阻抗谱测量仪器向空冷型燃料电池电堆施加幅值为负载电流的5％的交流扰动电流，即0.05*15A，交流扰动电流的频率范围为0.2～500Hz，测量计算得到当前空冷型燃料电池电堆的活化电阻；
步骤B6：以50％为初始值，5％为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增；测试各阶梯过程的活化电阻，变化曲线如图5所示，直至电堆输出电压开始快速衰减，对应图5的B点，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，电堆输出电压开始快速衰减前最后一次测得的活化电阻，对应图5的A点，作为负载电流值为15A时的保护活化电阻，流程图如图6所示；
步骤B7：设置负载电流为不同固定值(10A、20A、25A、30A以及35A)，分别重复步骤B4～B6，得到不同负载电流值下的保护活化电阻，绘制得到保护活化电阻-电流曲线。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：打开阳极氢气进口阀门以及阴极风扇，设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤2：根据空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线和保护活化电阻-电流曲线，分别获得负载电流值为I时对应的参考温度和保护活化电阻值；
其中，所述参考温度-电流曲线的获取步骤如下：
步骤A1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力；
步骤A2：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤A3：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤A4：通过调节阴极风扇PWM信号的占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度保持在30℃；
步骤A5：以PA为初始值，ΔP为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度即为负载电流值为I时的参考温度；
步骤A6：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤A4~A5，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到参考温度-电流曲线；
所述保护活化电阻-电流曲线的获取步骤如下：
步骤B1：打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力；
步骤B2：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤B3：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤B4：通过调节阴极风扇PWM信号的占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度保持在30℃；
步骤B5：向空冷型燃料电池电堆施加幅值为负载电流的百分之X的交流扰动电流，测量计算得到当前空冷型燃料电池电堆的活化电阻；
步骤B6：以PA为初始值，ΔP为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增；测试各阶梯过程的活化电阻，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，电堆输出电压开始快速衰减前最后一次测得的活化电阻即为负载电流值为I时的保护活化电阻；
步骤B7：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤B4~B6，得到不同负载电流值下的保护活化电阻，绘制得到保护活化电阻-电流曲线；
步骤3：通过控制算法将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度，同时实时测量空冷型燃料电池电堆的活化电阻值；
步骤4：若活化电阻值快速向对应保护活化电阻值逼近，并且有超过保护活化电阻值的趋势，则降低对应参考温度；之后转回步骤3，直至活化电阻值趋于平稳，实现对空冷型燃料电池的阴极控制。
2.根据权利要求1所述抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，步骤3同时还实时监测负载电流值，若负载电流值变化为I’，则按照步骤2~4的方法以I’为负载电流值进行阴极控制。
3.根据权利要求1所述抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，所述控制算法为PID控制算法、预测控制算法或自抗扰控制算法。
4.根据权利要求1所述抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，ΔP为1%~10%。
5.根据权利要求1所述抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，X为1~10。
6.根据权利要求1所述抗环境扰动的空冷型燃料电池阴极控制方法，其特征在于，所述交流扰动电流的频率范围为0.2~500 Hz。
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