CN109815554B - 燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备 - Google Patents

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CN109815554B CN201811641141.6A CN201811641141A CN109815554B CN 109815554 B CN109815554 B CN 109815554B CN 201811641141 A CN201811641141 A CN 201811641141A CN 109815554 B CN109815554 B CN 109815554B
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Abstract

本申请中提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。本申请中可以针对大面积燃料电池单体的不均一性可以建立燃料电池内部状态模型，然后对建立模型中的待标定量进行标定。对所述待标定量进行标定的过程中，可以采用一组稳态气体采样实验，通过测定和分析燃料电池的内部状态，完成对所述待标定量的标定。标定后的所述燃料电池模型的准确度更高，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。

Description

燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电设备，其原理是：燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气)通过膜电极发生电化学反应，产生电动势。质子交换膜燃料电池通常采用能够传递质子的聚合物膜作为电解质，反应过程中，质子通过膜从阳极传递到阴极，电子通过外接负载从阳极传递到阴极。燃料电池在运行过程中各单片的物质组分状态呈现出不一致性，这主要是由于配气不均匀性与单片的个体差异造成的。燃料电池单片对于整个电堆的寿命具有极大的影响。为此，在燃料电池建模过程中，应该考虑到燃料电池单片内部状态沿流道方向的不均一性以及流道之间的差异性。
燃料电池数值模型可以较为详细地反映燃料电池内部各物质组分的传递过程、电化学过程以及传热过程。传统的方案，包括质子交换膜燃料电池模型优化处理方法，认为燃料电池的状态是一致性的，未考虑到燃料电池单体的差异性。
发明内容
基于此，有必要针对传统的方案认为燃料电池的状态是一致性的，未考虑到燃料电池单体的差异性的问题，提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。
一种燃料电池内部状态模型的标定方法，包括：
S100，确定燃料电池等效模型；
S200，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量；
S300，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
S400，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
S500，重复步骤S300和步骤S400，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
在一个实施例中，S110，将燃料电池等效为至少包括阴极进口腔和阴极出口腔的单流道多腔模型；
S210，结合燃料电池阴极腔室的工作电流条件和工作电压条件，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量为流动阻力系数；
S310，所述运算参数包括第一运算参数和第二运算参数，获取从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量作为所述第一运算参数，获取阴极出口腔排气流量作为所述第二运算参数；
S410，将所述第一运算参数和所述第二运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个燃料电池阴极的流动阻力系数；
S510，重复步骤S310和步骤S410，获取多个所述流动阻力系数，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数的标定。
在一个实施例中，所述工作电流条件为iinAfc,in+ioutAfc,out＝Iload，其中，Afc,in为燃料电池进口腔的活性面积，Afc,out为燃料电池出口腔的活性面积，Iload为负载电流，iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度；
所述工作电压条件为：
Figure BDA0001931126840000031
其中，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为燃料电池内部温度，Lgdl为气体扩散层厚度，αc为阴极反应传递系数，sstop为燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，sin为阴极进口处的液态水饱和度，sout为阴极出口处的液态水饱和度，a为水活度，
Figure BDA0001931126840000032
为参考电流密度，为氧气对流传质系数，Rin为进口腔欧姆电阻，Rout为出口腔欧姆电阻，
Figure BDA0001931126840000034
为氧气的有效扩散系数，
Figure BDA0001931126840000035
为氧气的参考浓度，
Figure BDA0001931126840000036
为阴极进口腔内的氧气浓度，
Figure BDA0001931126840000037
为阴极出口腔内的氧气浓度，iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度。
在一个实施例中，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程包括：阴极进口腔气体动态过程模型和阴极出口腔气体动态过程模型；
所述阴极进口腔气体动态过程模型为：
Figure BDA0001931126840000038
其中，
Figure BDA0001931126840000041
为阴极进口腔内氮气的压力变化率，为阴极进口腔内氧气的压力变化率，
Figure BDA0001931126840000043
为阴极进口腔内氮气的压力，
Figure BDA0001931126840000044
为阴极进口腔内氧气的压力，
Figure BDA0001931126840000045
为阴极进口腔内的氧气浓度，R为理想气体常数，Tfc为燃料电池内部温度，Vca为阴极控制体体积，Wair为干空气进气流量，
Figure BDA0001931126840000046
为入口干空气内氧气的体积分数，W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，
Figure BDA0001931126840000047
为阴极入口的氧气分压，
Figure BDA0001931126840000048
为设定的阴极入口供气中氧气的分压，iin为阴极进口腔内的电流密度，Afc,in为阴极进口腔的活性面积；
所述阴极出口腔气体动态过程模型为：
Figure BDA0001931126840000049
其中，
Figure BDA00019311268400000410
为阴极出口腔内氮气的压力变化率，
Figure BDA00019311268400000411
为阴极出口腔内氧气的压力变化率，
Figure BDA00019311268400000412
为阴极出口腔内氮气的压力，
Figure BDA00019311268400000413
为阴极出口腔内氧气的压力，
Figure BDA00019311268400000414
为阴极出口腔内的氧气浓度，为阴极入口的氧气分压，
Figure BDA00019311268400000416
为阴极出口腔氧气的分压，iout为阴极出口腔内的电流密度，Afc,out为阴极出口腔的活性面积，W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，Wrm为阴极尾排气体流量；其中，
Figure BDA00019311268400000417
kca表示燃料电池阴极腔的流动阻力系数，kca为所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的所述待标定量，pca,为阴极入口腔的气体压力，pca,out为阴极出口腔的气体压力，psat为饱和水蒸气压力，prm为尾排气体压力。
在一个实施例中，S120，将燃料电池等效为包括多个流道的流道间差异模型；
S220，结合燃料电池排气管路中液态水饱和度在重力方向上线性分布关系，建立阴极排气流量模型，所述阴极排气流量模型为所述流道间差异模型的内部状态过程方程，所述阴极排气流量模型中待标定量为线性参数k和基准量b组成的数据组；
S320，所述运算参数包括第三运算参数、第四运算参数和第五运算参数，获取阴极不同流道入口气体压力pca,in作为所述第三运算参数，获取阴极不同流道出口气体压力pca,out作为所述第四运算参数，获取不同流道与初始流道间距x作为所述第五运算参数；
S420，将所述第三运算参数、所述第四运算参数和所述第五运算参数带入所述阴极排气流量模型，求得一组所述数据组；
S520，重复步骤S320和步骤S420，获取多组所述数据组，直至所述线性参数k和所述基准量b的误差平方和在预设范围内，则完成对所述线性参数k和所述基准量b的标定。
在一个实施例中，所述阴极排气流量模型为：
Figure BDA0001931126840000051
其中，Wca,out为阴极不同流道出口的气体流量，pca,in为阴极不同流道入口的气体压力，pca,out为阴极不同流道出口的气体压力，k1为流道的孔口流量系数，k2为排气歧管的孔口流量系数，ρ1为液态水密度，ρg为排气气体密度，μg为气体粘度，s为不同流道的液态水饱和度，假设不同流道的液态水饱和度按照线性分布，并且满足s＝kx+b，x为不同流道与初始流道的间距，k为线性参数，b为基准量。
在一个实施例中，通过估计不同的所述线性参数k和所述基准量b的值，改变所述阴极不同流道入口的气体压力pca,in和所述不同流道与初始流道的间距x，求解不同的所述阴极不同流道出口的气体流量
根据计算出的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure BDA0001931126840000053
与实际测量的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure BDA0001931126840000061
带入公式
Figure BDA0001931126840000062
求解每组数据的误差平方和r2，直至所述误差平方和r2小于0.001，确定对应的所述线性参数k和所述基准量b为最优解，完成标定。
一种燃料电池内部状态模型的标定装置，包括：
燃料电池等效模型确定单元，用于确定燃料电池适用的模型；
燃料电池内部状态过程确定单元，用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程，并确定待标定量；
运算参数获取单元，用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
运算参数计算单元，用于将所述运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
循环判断单元，用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量，当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内，则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
本申请中提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法、装置和计算机设备。本申请中可以针对大面积燃料电池单体的不均一性可以建立燃料电池内部状态模型，然后对建立模型中的待标定量进行标定。对所述待标定量进行标定的过程中，可以采用一组稳态气体采样实验，通过测定和分析燃料电池的内部状态，完成对所述待标定量的标定。标定后的所述燃料电池模型的准确度更高，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图2为本申请一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图3为本申请一个实施例中提供的阴极进出口两腔模型示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的燃料电池内部状态模型的标定方法流程图；
图5为本申请一个实施例中提供的燃料电池单片的流道间差异模型示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的燃料电池气体采样系统的结构示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的平行流道阳极板中采样点的分布位置示意图；
图8为本申请一个实施例中提供的平行流道阴极板中采样点的分布位置示意图；
图9为本申请一个实施例中提供的单流道多腔模型中标定后的流动阻力系数的验证结果示意图；
图10为本申请一个实施例中提供的流道间差异模型中标定后的线性参数和基准量的验证结果示意图。
附图标号说明：
1-阴极入口，2-水入口，3-阳极出口，4-阳极入口，5-水出口，
6-阴极出口，7-流道，8-阳极入口采样点，9-阳极出口采样点，
10-采样装置，20-气瓶，30-四通阀，31-第一N通阀，32-第二N通阀；
40-采样点，41-采样管路，50-阳极板，51-阳极流道，
60-阴极板，61-阴极流道，70-膜电极，80-伴热带；
101-流道内其他采样点。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请燃料电池气体采样方法进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本申请一个实施例中提供一种燃料电池内部状态模型的标定方法，包括：
S100，确定燃料电池等效模型。本步骤中，基于不同的参数设定或者是不同的研究角度，可以得出不同的燃料电池的等效模型。比如，本申请中，燃料电池模型可以为单流道多腔模型和多个流道的流道间差异模型。再比如还可以建立燃料电池单向流模型和M维N相多组分的燃料电池单体模型。
S200，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量。
本步骤中，可以根据燃料电池的电压条件或者电流条件确定所述燃料电池的内部状态方程。寻找内部状态过程方程中的待标定量，所述待标定量可以是一个也可以是多个，在此不作限定。
S300，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。本步骤中的运算参数，可以是通过燃料电池气体的多点采样系统获得的数据。比如所述运算参数可以是从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，可以是阴极出口腔排气流量，可以是阴极不同流道入口气体压力，可以是阴极不同流道出口气体压力，还可以是不同流道与初始流道间距中的一种或多种。
S400，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量。本步骤中的计算过程可以结合模块或者计算机程序实现。
S500，重复步骤S300和步骤S400，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
本实施例中提供的所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括确定燃料电池等效模型。结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量。获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量。重复获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
本实施例中，提出了一种针对大面积燃料电池单体不均一性及差异性模型的内部状态标定方法，采用一组稳态气体采样实验，通过测定和分析燃料电池的内部状态，标定了燃料电池的单体模型，对于研究大面积多流道燃料电池单体内单个流道内部的不均一性以及不同流道间的差异性具有一定的意义和价值。
请参阅图2，在一个实施例中，所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括：
S110，将燃料电池等效为至少包括阴极进口腔和阴极出口腔的单流道多腔模型。本步骤中提供的燃料电池单片的单流道多腔模型如图3所示。图3中示意了将一个燃料电池单片等效为单流道，多个腔室的结构。图3中仅示意了阴极进口单片和阴极出口单片两个腔室，在阴极进口单片和阴极出口单片的两个腔室之间还包括另外的腔室。可以理解，根据设计需求的不同，每个燃料电池单片设置的腔室数量可以自行增减。
S210，结合燃料电池阴极腔室的工作电流条件和工作电压条件，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量为流动阻力系数。
在本步骤中的一个实施例中，提供的所述工作电流条件为：
iinAfc,in+ioutAfc,out＝Iload 式(1)
其中，Afc,in为燃料电池进口腔的活性面积是已知量。Afc,out为燃料电池出口腔的活性面积，Iload为负载电流是已知量。iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度。
所述工作电压条件为：
Figure BDA0001931126840000111
其中，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为燃料电池内部温度，Lgdl为气体扩散层厚度，αc为阴极反应传递系数，sstop为燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，sin为阴极进口处的液态水饱和度，sout为阴极出口处的液态水饱和度，a为水活度。所述水活度a等于气态水饱和度与当前温度下饱和水蒸气浓度之比。
Figure BDA0001931126840000112
为参考电流密度，
Figure BDA0001931126840000113
为氧气对流传质系数。所述氧气对流传质系数
Figure BDA0001931126840000114
与气体流量有关。Rin为进口腔欧姆电阻，Rout为出口腔欧姆电阻，
Figure BDA0001931126840000115
为氧气的有效扩散系数。
Figure BDA0001931126840000116
为氧气的参考浓度，以上参数值在所述单流道多腔模型中均为已知量。为阴极进口腔内的氧气浓度(可由
Figure BDA0001931126840000118
计算得到)，
Figure BDA0001931126840000119
为阴极出口腔内的氧气浓度(可由
Figure BDA00019311268400001110
计算得到)。iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度，可通过式(1)和式(2)联立求解得到。
在本步骤中的一个实施例中，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程包括：阴极进口腔气体动态过程模型和阴极出口腔气体动态过程模型；
所述阴极进口腔气体动态过程模型为：
和
Figure BDA0001931126840000121
另外结合以下公式(5)至公式(7)：
Figure BDA0001931126840000122
Figure BDA0001931126840000123
Figure BDA0001931126840000124
其中，
Figure BDA0001931126840000125
为阴极进口腔内氮气的压力变化率，
Figure BDA0001931126840000126
为阴极进口腔内氧气的压力变化率，由式(3)(4)(5)(6)(13)联立可以计算出
Figure BDA0001931126840000127
为阴极进口腔内氮气的压力，
Figure BDA0001931126840000128
为阴极进口腔内氧气的压力，进而代入式(7)可以得到
Figure BDA0001931126840000129
为阴极进口腔内的氧气浓度，R为理想气体常数，Tfc为燃料电池内部温度，可直接测得。Vca为阴极控制体体积为设定值)，Wair为干空气进气流量，可由空压机前端的气体流量传感器直接测得。
Figure BDA00019311268400001210
为入口干空气内氧气的体积分数，可以通过经验值得到。W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，通过下述公式(12)来计算，为阴极入口的氧气分压，通过下述式(8)来表示。
Figure BDA00019311268400001212
为设定的阴极入口供气中氧气的分压是已知量。iin为阴极进口腔内的电流密度(通过联立(1)(2)求解)，Afc,in为阴极进口腔的活性面积，为已知量。pca,in为阴极进口气体压力(通过式(5)计算)，psat为饱和水蒸气压力是已知量。
Figure BDA00019311268400001213
为阴极进口腔内的氧气浓度(由式(7)计算得到)。
所述阴极出口腔气体动态过程模型为：
Figure BDA00019311268400001214
Figure BDA00019311268400001215
另外结合以下公式(10)至公式(14)：
Figure BDA0001931126840000131
Figure BDA0001931126840000134
Figure BDA0001931126840000135
其中，
Figure BDA0001931126840000136
为阴极出口腔内氮气的压力变化率，
Figure BDA0001931126840000137
为阴极出口腔内氧气的压力变化率，由式(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)联立可以计算出
Figure BDA0001931126840000138
为阴极出口腔内氮气的压力，
Figure BDA0001931126840000139
为阴极出口腔内氧气的压力，代入式(12)可得为阴极出口腔内的氧气浓度。R为理想气体常数，Tfc为燃料电池内部温度，可直接测得。Vca为阴极控制体体积可以是一种设定值。W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，模型中通过式(13)来表示。Wrm为阴极尾排气体流量，通过式(14)来表示。
Figure BDA00019311268400001311
为阴极入口的氧气分压，通过式(6)来计算。
Figure BDA00019311268400001312
为阴极出口腔氧气的分压，通过式(11)来表示。iout为阴极出口腔内的电流密度，通过联立(1)(2)求解得出。Afc,out为阴极出口腔的活性面积，为已知量。pca,out为阴极出口腔的气体压力，可以通过式(10)表示。psat为饱和水蒸气压力是已知量。为阴极出口腔内的氧气浓度，可以由式(12)计算得到。
S310，所述运算参数包括第一运算参数和第二运算参数，获取从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量W12作为所述第一运算参数，获取阴极出口腔排气流量Wrm作为所述第二运算参数。
S410，将所述第一运算参数和所述第二运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个燃料电池阴极的流动阻力系数kca。
S510，重复步骤S310和步骤S410，获取多个所述流动阻力系数kca，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数kca的标定。
本实施例中，在标定过程中，式(13)与(14)中的W12与Wrm分别通过布置在阴极进口处及阴极尾排阀处的流量传感器测得。与
Figure BDA0001931126840000142
可由多点气体采样实验测得，进而由式(7)(12)可分别计算出
Figure BDA0001931126840000143
与
Figure BDA0001931126840000144
与
Figure BDA0001931126840000145
可由多点气体采样实验测得。psat为已知量，prm可直接测得，则由式(5)(10)可以计算出pca,in与pca,out。将pca,in与pca,out代入式(13)或式(14)可以求得kca。多次实验求平均值，标定完成。
更广泛地，对于单流道多腔模型与单流道两腔模型类似，主要是考虑物质在流道内分布的不均匀性，沿气体流动方向将流道分为多个腔，从而建立单流道多腔模型，具体的标定方法可与步骤S110-步骤S510的方法类似。
本实施例中，提供了一种基于单流道多腔模型，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程。并实现对所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量的标定过程。所述模型中的待标定量是流动组里系数。本实施例中可以获取多个所述流动阻力系数，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数的标定。本申请中主要通过燃料电池多点气体采样方法和装置来实现对燃料电池单体模型的标定。具体的燃料电池多点气体采样方法在后续结合图6-图8进行整体介绍。
在一个实施例中，可以通以下步骤判断是否继续获取多个或多组所述待标定量：获取在前步骤中的所有所述流动阻力系数；
按照时间前后进行排列，用后一状态的所述流动阻力系数减去前一状态的所述流动阻力系数，获得所述流动阻力系数的变化量；
判断所述流动阻力系数的变化量是否在一个预设的范围内；
若所述流动阻力系数的变化量在±0.0001的范围内，则取平均值作为所述流动阻力系数的标定值。
具体的，所述流动阻力系数kca是由气体粘度和燃料电池阴极结构参数决定的阴极腔流动阻力系数(需要通过实验数据标定)。多次重复步骤S310和步骤S410，直到所述流动阻力系数的变化范围在±0.0001，取平均值作为所述流动阻力系数的标定值。在一个实施例中，所述流动阻力系数的取值为3.457×10-5m3·S-1·Pa-1。在其他的实施例中，所述流动阻力系数的取值范围可以是1×10-5m3·S-1·Pa-1到1×10-4m3·S-1·Pa-1。
请参阅图4，在一个实施例中，所述燃料电池内部状态模型的标定方法包括：
S120，将燃料电池等效为包括多个流道的流道间差异模型。本步骤中提供的燃料电池单片的流道间差异模型如图5所示。图5中示意了三个流道，每个流道示意了三个不同的腔。可以理解，根据设计需求的不同，每个燃料电池单片可设置的流道可以进一步增多，并且每个流道可设置的腔室还可以进一步增多。
S220，结合燃料电池排气管路中液态水饱和度在重力方向上线性分布关系，建立阴极排气流量模型，所述阴极排气流量模型为所述流道间差异模型的内部状态过程方程，所述阴极排气流量模型中待标定量为线性参数k和基准量b组成的数据组。
在一个实施例中，所述阴极排气流量模型为：
Figure BDA0001931126840000151
结合以下的式(16)：
s＝kx+b 式(16)
其中，Wca,out为阴极不同流道出口的气体流量，pca,in为阴极不同流道入口的气体压力，可测得。pca,out为阴极不同流道出口的气体压力，可测得。k1为流道的孔口流量系数是已知量。k2为排气歧管的孔口流量系数是已知量。ρ1为液态水密度，ρg为排气气体密度，μg为气体粘度是已知量。s为不同流道的液态水饱和度，假设不同流道的液态水饱和度按照线性分布，并且满足s＝kx+b，x为不同流道与初始流道的间距，可测得。k为线性参数，需要实验数据标定。b为基准量，需要实验数据标定。
S320，所述运算参数包括第三运算参数、第四运算参数和第五运算参数，获取阴极不同流道入口气体压力pca,in作为所述第三运算参数，获取阴极不同流道出口气体压力pca,out作为所述第四运算参数，获取不同流道与初始流道间距x作为所述第五运算参数。
S420，将所述第三运算参数、所述第四运算参数和所述第五运算参数带入所述阴极排气流量模型，求得一组所述数据组。
S520，重复步骤S320和步骤S420，获取多组所述数据组，直至所述线性参数和所述基准量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述线性参数k和所述基准量b的标定。
本实施例中的具体标定过程包括：本模型中需要标定的参数为线性系数k和基准量b。标定实验中，式(15)中的与可以通过实际测得，通过布置在流道出口的流量传感器测得，除要标定的参数外，其余参数均已知。通过估计一组k和b的初始值，改变和x的值，代入求解相应的，直到计算出的与实际测量的的标准差最小。
在一个实施例中，可以通过一下步骤判断是否继续获取多个或多组所述待标定量：
通过估计不同的所述线性参数k和所述基准量b的值，改变所述阴极不同流道入口的气体压力pca,in和所述不同流道与初始流道的间距x，求解不同的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure BDA0001931126840000171
根据计算出的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure BDA0001931126840000172
与实际测量的所述阴极不同流道出口的气体流量带入公式(17)：
Figure BDA0001931126840000174
求解每组数据的误差平方和r2，直至所述误差平方和r2小于0.001，确定对应的所述线性参数k和所述基准量b为最优解，完成标定。在一个实施例中，所述线性参数k和所述基准量b的取值可以为：k＝0.012，b＝0.531。
请参阅图6-图8，在一个具体的实施例中提供燃料电池多点气体采样系统及采样方法。
如图6所示一种燃料电池气体多点采样系统包括：阳极板50、膜电极70、阴极板60、多个采样点40以及采样管路41。
所述阳极板50具有为气体流动提供通道的阳极流道51。所述膜电极70设置于所述阳极板50具有所述阳极流道51的一侧。阴极板60设置于所述膜电极70远离所述阳极板50的一侧。所述阴极板60具有为气体流动提供通道的阴极流道61。所述阳极流道51和所述阴极流道60不是全封闭的，流道类似像槽一样，气体在槽里流动。
所述膜电极70包括质子交换膜用于实现质子(质子包括电子和空穴)在所述质子交换膜中的交换或者复合。所述膜电极70还包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层设置于所述质子交换膜的第一侧。所述膜电极70还包括阴极催化剂层和阴极的气体扩散层设置于所述质子交换膜的第二侧。
多个采样点40设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61，并且伸入流道横截面的中心区域。采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。所述采样管路41主要是由从极板外插进流道内的毛细管引出来的管路。所述采样管路41可以采用不锈钢毛细管。
质子交换膜燃料电池，氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。基本的燃料电池单体结构会包括阳极板50、阴极板60和膜电极70。其中在阳极板50上设置有阳极流道51。在阴极板60上设置有阴极流道61。膜电极70包括质子交换膜、催化层和扩散层，其中质子交换膜是能够传导质子的聚合物膜，催化剂层为有催化剂铂附着的碳载体，扩散层的成分主要是碳和聚四氟乙烯。质子交换膜、催化层和扩散层构成膜电极，为氢气和氧气的反应提供场所，并起到导电和传热传质的作用。双极板(所述阳极板50和所述阴极板60)一般由碳板或者金属板构成，在双极板上刻有供气体和冷却液流动的流道。
图7和图8中从另外的剖面示出了：水出口5，6-阴极出口，流道7，阳极入口采样点8，阳极出口采样点9以及流道内其他采样点101。
在一个实施例中，所述多个采样点40沿所述阳极流道51中流道的走向方向等间距的设置以及沿所述阴极流道61中流道的走向方向等间距的设置。
在一个实施例中，燃料电池包括至少三条所述阳极流道51和至少三条所述阴极流道61。所述多个采样点40分别在每间隔一条或者多条的所述阳极流道51的流道中和每间隔一条或者多条的所述阴极流道61的流道中设置。
请结合图6-图8，所述燃料电池多点气体采样方法至少包括以下步骤：
S10，设置采样管路41和多个采样点40。所述多个采样点40设置于燃料电池的阴极入口1、阳极出口3、阳极入口4、阴极出口6以及阳极流道51和阴极流道61中。其中，设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61中的采样点40伸入流道横截面的中心区域。所述采样管路41与所述多个采样点40分别连接，用于实现燃料电池内部气体的导出。
本步骤中，将采样点设置于流道横截面的中心区域可以理解为将所述采样管路41穿透所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板，所述采样管路41伸入流道内部的端点可以直接接触到燃料电池内部的气体，成为一个所述采样点40。另外请参阅图7-图8，所述多个采样点40除了设置于燃料电池的所述阴极入口1、所述阳极出口3、所述阳极入口4和所述阴极出口6的采样点，还包括设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40。设置于所述阳极流道51和所述阴极流道61的流道板的所述采样点40可以获取燃料电池内部不同位置的采样气体。
S20，向所述阴极入口1和所述阳极入口4分别通入反应气体，并在燃料电池的阳极板50和阴极板60之间加入电子负载。
本步骤中，可以向所述阴极入口1和所述阳极入口4中分别通入阴极标准气体和阳极标准气体。通气之后在所述阴极板60和所述阳极板50之间加入一定的电子负载。比如，所述电子负载可以是设定燃料电池单片输出0A/cm2-2A/cm2的电流。
S30，获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体，以完成对燃料电池气体的采样。
本步骤中，可以通过采样装置10获取经所述采样管路41导出的所述多个采样点40的采集气体。所述采样装置10可以对采集气体进行分析，得出分析结果，用以指导燃料电池的使用。
本实施例中，设置所述多个采样点40分别获取燃料电池中不同位置的采样气体，以实现燃料电池内部多点气体的采样，实时监控到燃料电池内部不同位置气体含量。所述多个采样点40伸入所述阳极流道51和所述阴极流道61横截面的中心区域，可以精确的获取流经流道的气体。通过在燃料电池的阳极板50和阴极板60的流道中设置多个所述采样点40可以获取各点的采样气体，分析气体的含量及浓度可以帮助燃料电池获得更安全可靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命，保证燃料电池的利用率。
本申请一个实施例中，与硬件结构相关的燃料电池内部状态模型的标定方法的部分具体包括：
第一，设计实验条件的各种参数。实验条件的各种参数分别包括：阴极流量(标准状态)5.16L/min；阴极入口露点温度60℃；干球温度65℃；电流40A；冷却液入口温度59℃。
第二，设计的实验步骤：
(1)对燃料电池进行氦气吹扫，设定冷却液温度和流量。
(2)停止吹扫并供应空气和氢气，设定阴极增湿露点温度和空气干球温度，逐步增大空气流量和氢气流量。同时逐步增大电流负载，直至气体流量和电流达到设定值，并且稳定运行一段时间。
(3)打开所述采样装置10的采样口，打开所述气瓶20的出口，用氦气吹扫管路。所述采样装置10为质谱仪，待所述质谱仪的采样结果稳定一段时间后关闭氦气瓶出口，关闭四通阀与之相连的入口。
(4)关闭所述第二N通阀32的所有出入口，关闭所述第一N通阀31(阳极处的)的其他口，仅打开所述第一N通阀31的出口以及与第一采样点连通的入口，对第一采样点进行采样。
(5)对第一采样点采样一段时间后，关闭所述第一N通阀31入口，打开所述气瓶20(此时所述气瓶20为氦气瓶)出口以及所述四通阀30与之连通的入口，用氦气吹扫管路一段时间，关闭氦气瓶出口以及所述四通阀30与之连通的入口。
(6)打开所述第一N通阀31与第二采样点的入口，对第二采样点进行采样。
(7)类似地，采样结束后，吹扫，之后切换至下一个采样点，直至所述阳极板50所有采样点采样完成。
(8)氦气吹扫所述采样管路41。打开所述第二N通阀32(阴极板处的)的出口与所述阴极板60的第一采样点连通的入口，开始采样。
(9)重复步骤(5)至步骤(7)，直至所述阴极板60所有采样点采样完成。
第三，在获得所述运算参数之后，对进行标定：
运用上述采样结果对模型进行标定，将采样结果代入单流道多腔模型或者流道间差异模型，反推出所需要标定的参数值，即可得到较为准确的燃料电池单体的单流道多腔模型和流道间差异模型。
第四，对标定参数进行验证：
运用标定后的单流道多腔模型和流道间差异模型进行验证。具体方法为在模型分析软件中对模型设定与实际实验相同的工作条件，比较模型结果与实验结果。若结果比较吻合，则证明标定的模型有效。否则，需要重新修改模型。标定结果如图9和图10所示。
本申请的另一个实施例提供一种燃料电池内部状态模型的标定装置，包括：燃料电池等效模型确定单元、燃料电池内部状态过程确定单元、运算参数获取单元、运算参数计算单元以及循环判断单元。
所述燃料电池等效模型确定单元用于确定燃料电池适用的模型。所述燃料电池内部状态过程确定单元用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程并确定待标定量。所述运算参数获取单元用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数。所述运算参数计算单元用于将所述运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程求得一个或者一组所述待标定量。所述循环判断单元用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
本实施例中所述燃料电池内部状态模型的标定装置实现燃料电池内部状态模型参数标定的具体步骤可以参考上述的燃料电池内部状态模型的标定方法，在此不再赘述。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，包括：
S100，确定燃料电池等效模型；
S200，结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件，建立燃料电池内部状态过程方程，并确定所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的待标定量；
S300，通过燃料电池多点气体采样方法，获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
S400，将所述运算参数带入所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
S500，重复步骤S300和步骤S400，获取多个或多组所述待标定量，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，或者所述待标定量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述待标定量的标定。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
S110，将燃料电池等效为至少包括阴极进口腔和阴极出口腔的单流道多腔模型；
S210，结合燃料电池阴极腔室的工作电流条件和工作电压条件，建立所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，所述单流道多腔模型的内部状态过程方程中待标定量为流动阻力系数；
S310，所述运算参数包括第一运算参数和第二运算参数，获取从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量作为所述第一运算参数，获取阴极出口腔排气流量作为所述第二运算参数；
S410，将所述第一运算参数和所述第二运算参数带入所述单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个燃料电池阴极的流动阻力系数；
S510，重复步骤S310和步骤S410，获取多个所述流动阻力系数，直至所述待标定量的变化范围在预设范围内，则完成对所述流动阻力系数的标定。
3.根据权利要求2所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
所述工作电流条件为iinAfc,in+ioutAfc,out＝Iload，其中，Afc,in为燃料电池进口腔的活性面积，Afc,out为燃料电池出口腔的活性面积，Iload为负载电流，iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度；
所述工作电压条件为：
Figure FDA0002174140360000021
其中，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为燃料电池内部温度，Lgdl为气体扩散层厚度，αc为阴极反应传递系数，sstop为燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，sin为阴极进口处的液态水饱和度，sout为阴极出口处的液态水饱和度，a为水活度，为参考电流密度，为氧气对流传质系数，Rin为进口腔欧姆电阻，Rout为出口腔欧姆电阻，
Figure FDA0002174140360000024
为氧气的有效扩散系数，
Figure FDA0002174140360000025
为氧气的参考浓度，
Figure FDA0002174140360000026
为阴极进口腔内的氧气浓度，
Figure FDA0002174140360000027
为阴极出口腔内的氧气浓度，iin为阴极进口腔内的电流密度，iout为阴极出口腔内的电流密度。
4.根据权利要求2所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
所述单流道多腔模型的内部状态过程方程包括：阴极进口腔气体动态过程模型和阴极出口腔气体动态过程模型；
所述阴极进口腔气体动态过程模型为：
和
Figure FDA0002174140360000032
其中，为阴极进口腔内氮气的压力变化率，
Figure FDA0002174140360000034
为阴极进口腔内氧气的压力变化率，
Figure FDA0002174140360000035
为阴极进口腔内氮气的压力，
Figure FDA0002174140360000036
为阴极进口腔内氧气的压力，
Figure FDA0002174140360000037
为阴极进口腔内的氧气浓度，R为理想气体常数，Tfc为燃料电池内部温度，Vca为阴极控制体体积，Wair为干空气进气流量，
Figure FDA0002174140360000038
为入口干空气内氧气的体积分数，W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，
Figure FDA0002174140360000039
为阴极入口的氧气分压，
Figure FDA00021741403600000310
为设定的阴极入口供气中氧气的分压，iin为阴极进口腔内的电流密度，Afc,in为阴极进口腔的活性面积；
所述阴极出口腔气体动态过程模型为：
Figure FDA00021741403600000311
和
Figure FDA00021741403600000312
其中，
Figure FDA00021741403600000313
为阴极出口腔内氮气的压力变化率，
Figure FDA00021741403600000314
为阴极出口腔内氧气的压力变化率，
Figure FDA00021741403600000315
为阴极出口腔内氮气的压力，
Figure FDA00021741403600000316
为阴极出口腔内氧气的压力，
Figure FDA00021741403600000317
为阴极出口腔内的氧气浓度，
Figure FDA00021741403600000318
为阴极入口的氧气分压，
Figure FDA00021741403600000319
为阴极出口腔氧气的分压，iout为阴极出口腔内的电流密度，Afc,out为阴极出口腔的活性面积，W12为从阴极进口腔进入到阴极出口腔的气体流量，Wrm为阴极尾排气体流量；其中，
Figure FDA00021741403600000320
kca表示燃料电池阴极腔的流动阻力系数，kca为所述燃料电池等效模型的内部状态过程方程中的所述待标定量，pca，in为阴极入口腔的气体压力，pca,out为阴极出口腔的气体压力，psat为饱和水蒸气压力，prm为尾排气体压力。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
S120，将燃料电池等效为包括多个流道的流道间差异模型；
S220，结合燃料电池排气管路中液态水饱和度在重力方向上线性分布关系，建立阴极排气流量模型，所述阴极排气流量模型为所述流道间差异模型的内部状态过程方程，所述阴极排气流量模型中待标定量为线性参数和基准量组成的数据组；
S320，所述运算参数包括第三运算参数、第四运算参数和第五运算参数，获取阴极不同流道入口气体压力作为所述第三运算参数，获取阴极不同流道出口气体压力作为所述第四运算参数，获取不同流道与初始流道间距作为所述第五运算参数；
S420，将所述第三运算参数、所述第四运算参数和所述第五运算参数带入所述阴极排气流量模型，求得一组所述数据组；
S520，重复步骤S320和步骤S420，获取多组所述数据组，直至所述线性参数和所述基准量的误差平方和在预设范围内，则完成对所述线性参数和所述基准量的标定。
6.根据权利要求5所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，所述阴极排气流量模型为：
Figure FDA0002174140360000041
其中，Wca,out为阴极不同流道出口的气体流量，pca,in为阴极不同流道入口的气体压力，pca,out为阴极不同流道出口的气体压力，k1为流道的孔口流量系数，k2为排气歧管的孔口流量系数，ρ1为液态水密度，ρg为排气气体密度，μg为气体粘度，s为不同流道的液态水饱和度，假设不同流道的液态水饱和度按照线性分布，并且满足s＝kx+b，x为不同流道与初始流道的间距，k为线性参数，b为基准量。
7.根据权利要求6所述的燃料电池内部状态模型的标定方法，其特征在于，
通过估计不同的所述线性参数和所述基准量的值，改变所述阴极不同流道入口的气体压力pca,in和所述不同流道与初始流道的间距x，求解不同的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure FDA0002174140360000051
根据计算出的所述阴极不同流道出口的气体流量
Figure FDA0002174140360000052
与实际测量的所述阴极不同流道出口的气体流量带入公式
Figure FDA0002174140360000054
求解每组数据的误差平方和r2，直至所述误差平方和r2小于0.001，确定对应的所述线性参数和所述基准量为最优解，完成标定。
8.一种燃料电池内部状态模型的标定装置，其特征在于，包括：
燃料电池等效模型确定单元，用于确定燃料电池适用的模型；
燃料电池内部状态过程确定单元，用于结合所述燃料电池等效模型及燃料电池工作条件建立燃料电池内部状态过程方程，并确定待标定量；
运算参数获取单元，用于获取所述燃料电池内部状态过程方程中的运算参数；
运算参数计算单元，用于将所述运算参数带入单流道多腔模型的内部状态过程方程，求得一个或者一组所述待标定量；以及
循环判断单元，用于判断是否继续获取多个或多组所述待标定量，当所述待标定量的平均值或者所述待标定量的误差平方和在阈值范围内，则不再继续获取多个或多组所述待标定量。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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