CN114551944B - 质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统。本发明根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型，通过遗传与粒子群优化混合算法完成所建立的压降模型的参数辨识，建立各式水故障类型与压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池电堆内部水状态，最后利用自适应模糊PID控制其含水量保持在正常范围内，从而实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。本发明能够在线准确判断水故障类型，利用自适应模糊PID控制器实现复杂系统的简单控制并能取得良好的控制效果，有效保证质子交换膜燃料电池运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及质子交换膜燃料电池的故障处理，尤其是一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统。
背景技术
电力是能源技术的核心。在电力工业中目前占据主导地位的火力发电存在许多弊端，例如受卡诺循环及设备材料的限制，发电效率只有33％～35％；传统能源的利用对环境造成了严重污染等。燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，因不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％～70％,是继火电、水电、核电之后的第4种发电技术。在众多质子交换膜燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton electrolyte membranefuelcell.PEMFC)具有清洁高效、环境友好、低噪音、工作温度低和启动速度快等特点，能够解决发电行业能源利用的问题，近年来受到广泛关注，在未来也将发展成为一种重要的供电方式。然而PEMFC也存在许多制约其大规模商业应用的问题，如成本高、稳定性差和使用寿命短等。
在实际应用中，PEMFC的内部水管理是影响其自身性能和使用寿命的主要因素。为减少其内部水淹、膜干等现象导致的各种不良影响，需要保证其内部水管理的平衡。PEMFC内部组成复杂，对其进行故障诊断准确性的要求并且针对不同故障类型进行在线实时处理是非常有必要的。作为一种数据驱动的诊断方法，基于压降的水故障诊断近年来受到了越来越多的关注。压降不仅可以反映燃料电池流道内部的含水量，而且可以作为一种在线故障诊断的指标；及时正确识别PEMFC的各类水故障并采取有效的处理措施，可以保证PEMFC的稳定运行，降低事故发生的可能性。
有关燃料电池内部水故障的诊断，常见的方法有电压巡检法、交流阻抗谱测试法等等。基于电压的水管理方法需要较多的引线，对于水故障的预测效果并不理想且无法做到水淹膜干的良好区分；基于阻抗的水管理方法虽然诊断效果良好，但交流阻抗谱测试时间较长，无法满足在线性和实时性的要求。而在监测质子交换膜燃料电池内部含水量状态后，利用常规PID控制存在容易产生震荡、调节时间长等问题，无法满足快速性的要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或改进需求，本发明提供一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统，其目的在于对PEMFC进行实时在线准确地水故障诊断并针对质子交换膜燃料电池内部异常的含水状态进行快速有效的处理，以维持PEMFC的稳定运行。
为此，本发明采用的一种技术方案如下：质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其包括步骤：
1)采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；
2)根据质子交换膜燃料电池内部(沿程阻力、重力压头、氢气消耗等)产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；
3)通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；
4)建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；
5)利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。
本发明根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型，通过遗传与粒子群优化混合算法完成所建立的压降模型的参数辨识，辨明各式水故障类型与压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池电堆内部水状态，最后利用自适应模糊PID控制其含水量保持在正常范围内，从而实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。
进一步地，所述步骤1)中，所述的压降用于反应质子交换膜燃料电池流道内部含水量及作为质子交换膜燃料电池水故障在线诊断的指标。
进一步地，所述步骤2)中，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失Δp分为沿程损失Δpf和局部损失Δpj，如式(1)：
Δp＝Δpf+Δpj (1)
经理论推导后，建立如下的阴极单相流压降模型：
Δp＝k1Iλ+k2(Iλ)2 (2)
其中，
上式中，Rm为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，pin为进口蒸气压，psat为饱和蒸气压，Ain为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，Dh为流道水力直径，A为流道横截面积，n为流道数目，I表示电流密度，k1为一次项系数，k2为二次项系数。
进一步地，所述步骤3)中，利用遗传与粒子群优化混合算法得到阴极单相流压降模型中综合的局部损失系数ζ的值，从而完成阴极单相流压降模型的构建。
进一步地，所述步骤4)中，利用阴极单相流压降模型计算出两相流稳态压降值和2倍阴极单相流压降值，分别作为质子交换膜燃料电池两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线；将指定工况下的实际压降值与两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，判断此时质子交换膜燃料电池内部水状态。
进一步地，所述步骤4)的具体过程如下：
步骤A)，通过压降-流速曲线拟合出k1、k2，得到阴极单相流压降模型中压力损失的计算方程式；
步骤B)，获得任意恒电流运行模式下压降-时间曲线，找出稳态压降值并计算等效水膜厚度；
步骤C)，计算指定工况下的两相流稳态压降值及2倍阴极单相流压降值，其中，两相流稳态压降值通过将阴极单相流压降模型中的流道横截面积和水力直径替换为剔除水膜后的流道横截面积和水力直径得到；两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线，2倍阴极单相流压降值作为阴极缺水预警线；
步骤D)，将指定工况下实际压降值与计算得出的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，实际压降值若高于两相流稳态压降控制线，则故障诊断为水淹；若低于阴极缺水预警线，则故障诊断为膜干；若位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池内部含水量处于正常范围内。
进一步地，所述步骤5)中，
检测到实际压降值位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池处于正常状态；
检测到实际压降值高于两相流稳态压降控制线时，故障诊断为水淹；通过采取流量脉冲吹扫流道的方式进行排水，即利用自适应模糊PID控制器及时增大氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压；
检测到实际压降值低于阴极缺水预警线时，故障诊断为膜干；通过实时减小进气流量来增加电池内部含水量，即利用自适应模糊PID控制器及时减小氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压。
进一步地，所述步骤5)中，自适应模糊PID控制器将模糊控制和常规PID结合，利用模糊规则进行模糊推理，根据不同时刻的e、ec对PID的Kp、KI、KD进行在线整定，满足不同时刻e和ec对三个参数Kp、KI、KD自整定的要求；所述的e、ec分别表示电压误差、电压误差偏差率；Kp、KI、KD分别表示比例系数、积分系数、微分系数。
在控制量变化的不同阶段，采用不同的PID控制可实现复杂系统的简单控制，可以更好地控制电堆的输出电压，使其快速平稳地过渡到设定值，具有自适应性并且可取得更好的控制效果。
本发明采用的另一种技术方案为：质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统，其包括：
阴极压降值采集单元：采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；
阴极单相流压降模型构建单元：根据质子交换膜燃料电池内部(沿程阻力、重力压头、氢气消耗等)产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；
参数辨识单元：通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；
内部水状态判断单元：建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；
自适应模糊PID控制单元：利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。
本发明具有的有益效果是：本发明采集指定工况下质子交换膜燃料电池的实时压降值，建立阴极单相流压降的数学模型，对该压降模型进行参数辨识后，利用基于压降的水管理方法，将两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池稳定运行的控制线(即两相流稳态压降控制线)，通过自适应模糊PID控制影响压降的因素，如流入阳极气体流量，使压降稳定于控制线附近。
本发明利用自适应模糊PID控制器对电堆电压进行控制，能够满足快速响应的要求，更好地抑制电堆输出电压的振荡幅度，可以取得比常规PID控制器更好地控制效果。
本发明实现了对PEMFC水故障的诊断及在线处理，满足了在线性、实时性、成本低、准确诊断质子交换膜燃料电池故障并实时维持质子交换膜燃料电池稳定运行的要求。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法的流程图；
图2为本发明利用遗传与粒子群优化混合算法对建立的PEMFC阴极压降模型进行参数辨识的算法流程图；
图3为本发明基于压降的水管理方法对PEMFC进行故障诊断的流程图；
图4为本发明利用自适应模糊PID控制器对PEMFC进行电压控制的结构框图；
图5为本发明质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明的说明书附图，通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步地详细阐述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，如图1所示。
以156W质子交换膜燃料电池(参数如表1)为例进行描述。
表1
| 片数 | 1 |
| 有效面积 | 275cm2 |
| 流道参数L/nADh 2 | 4.8×1010 |
| 流场 | 平行直流道 |
| 极板材料 | 金属 |
| 额定功率 | 156W@0.6V |
首先，根据实时运行数据采集该工况下质子交换膜燃料电池的阴极压降值。
根据质子交换膜燃料电池内部(沿程阻力、重力压头、氢气消耗等)产生的压降，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失可分为沿程损失和局部损失，如式(1)：
Δp＝Δpf+Δpj (1)
经理论推导后，建立的阴极单相流压降模型如下：
Δp＝k1Iλ+k2(Iλ)2 (2)
其中，
上式中，Rm为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，pin为进口蒸气压，psat为饱和蒸气压，Ain为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，A为流道横截面积，Dh为流道水力直径，n为流道数目，k1为一次项系数，k2为二次项系数。
根据质子交换膜燃料电池实时运行数据，利用遗传和粒子群优化混合算法对以上所建立的阴极单相流压降模型进行参数辨识，如图2所示，得到模型参数综合的局部损失系数ζ的值，完成阴极单相流压降模型的建立。
得到建立的阴极单相流压降模型后，按如下步骤建立水故障诊断与该模型之间的耦合关系，从而判断质子交换膜燃料电池内部水状态，如图3所示，具体过程如下：
步骤A)，通过压降-流速曲线拟合出k1、k2得到阴极单相流压降模型压力损失的计算方程式；
步骤B)，获得任意恒电流运行模式下压降-时间曲线，找出稳态压降值并计算等效水膜厚度；
步骤C)，计算指定工况下的两相流稳态压降值及2倍单相流压降值。其中，两相流稳态压降值可以通过将单相流压降模型中的流道横截面积和水力直径替换为剔除水膜后的流道横截面积和水力直径后得到。两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线，2倍单相流压降值作为阴极缺水预警线；
步骤D)，将该工况下实际压降值与计算得出的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，实际压降值若高于计算的两相流稳态压降控制线，则故障诊断为水淹；若低于计算的阴极缺水预警线，则故障诊断为膜干；若位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池含水量处于正常范围内。
由步骤A)至步骤D)完成质子交换膜燃料电池故障诊断后，本发明主要通过调节氢气流量来控制电堆的输出电压。如图4所示，将电堆期望输出电压作为输入量，负载和温度作为扰动量，采用PEMFC电压模糊PID控制系统。mH2为流入阳极气体流量，是自适应模糊PID控制器的输出量，T为电堆工作温度，Vref为参考输入电压，Vout为PEMFC输出电压，e为电压误差，ec为电压误差偏差率，Kp、KI、KD分别表示比例系数、积分系数、微分系数，ke表示k时刻电压误差，kec表示k时刻电压误差偏差率。根据不同时刻的e、ec对PID的Kp、KI、KD进行在线整定，满足不同时刻e和ec对三个参数Kp、KI、KD自整定的要求。
具体地，根据质子交换膜燃料电池内部水状态诊断结果，利用自适应模糊PID控制器控制电堆输出电压的操作内容如下：
将PEMFC运行在大电流密度条件下，增加阴极进气湿度使其处于较高水平来诱导质子交换膜燃料电池出现水淹现象，由步骤A)至步骤D)所述过程可检测到实际压降值高于两相流稳态压降控制线，采取流量脉冲吹扫流道的方式进行排水，即利用自适应模糊PID控制器及时增大氢气流量来调控电堆的输出电压。
将PEMFC运行在小电流密度条件下，升高电堆温度使其处于较高水平来诱导质子交换膜燃料电池出现膜干现象，由步骤A)至步骤D)所述过程可检测到实际压降值低于阴极缺水预警线时，实时减小进气流量来增加电池内部含水量，即利用自适应模糊PID控制器及时减小氢气流量来调控电堆的输出电压。
实施例2
本实施例提供一种质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统，如图5所示，其包括：
阴极压降值采集单元：采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；
阴极单相流压降模型构建单元：根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；
参数辨识单元：通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；
内部水状态判断单元：建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；
自适应模糊PID控制单元：利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行。
所述的阴极压降值采集单元中，所述的压降用于反应质子交换膜燃料电池流道内部含水量及作为质子交换膜燃料电池水故障在线诊断的指标。
所述的阴极单相流压降模型构建单元中，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失Δp分为沿程损失Δpf和局部损失Δpj，如式(1)：
Δp＝Δpf+Δpj (1)
经理论推导后，建立如下的阴极单相流压降模型：
Δp＝k1Iλ+k2(Iλ)2 (2)
其中，
上式中，Rm为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，pin为进口蒸气压，psat为饱和蒸气压，Ain为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，Dh为流道水力直径，A为流道横截面积，n为流道数目，I表示电流密度。
所述的参数辨识单元中，如图2所示，利用遗传与粒子群优化混合算法得到阴极单相流压降模型中综合的局部损失系数ζ的值。
所述的内部水状态判断单元中，利用阴极单相流压降模型计算出两相流稳态压降值和2倍阴极单相流压降值，分别作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线；将指定工况下的实际压降值与两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，判断此时质子交换膜燃料电池内部水状态。
具体地，如图3所示，所述内部水状态判断单元的具体过程如下：
步骤A)，通过压降-流速曲线拟合出k1、k2，得到阴极单相流压降模型的计算方程式；
步骤B)，获得任意恒电流运行模式下压降-时间曲线，找出稳态压降值并计算等效水膜厚度；
步骤C)，计算指定工况下的两相流稳态压降值及2倍阴极单相流压降值，其中，两相流稳态压降值通过将阴极单相流压降模型中的流道横截面积和水力直径替换为剔除水膜后的流道横截面积和水力直径得到；两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线，2倍阴极单相流压降值作为阴极缺水预警线；
步骤D)，将指定工况下实际压降值与计算得出的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，实际压降值若高于两相流稳态压降控制线，则故障诊断为水淹；若低于阴极缺水预警线，则故障诊断为膜干；若位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池内部含水量处于正常范围内。
由步骤A)至步骤D)完成质子交换膜燃料电池故障诊断后，本发明主要通过调节氢气流量来控制电堆的输出电压。如图4所示，在自适应模糊PID控制单元中，将电堆期望输出电压作为输入量，负载和温度作为扰动量，采用PEMFC电压模糊PID控制系统。mH2为流入阳极气体流量，是自适应模糊PID控制器的输出量，T为电堆工作温度，Vref为参考输入电压，Vout为PEMFC输出电压，e为电压误差，ec为电压误差偏差率，Kp、KI、KD分别表示比例系数、积分系数、微分系数，ke表示k时刻电压误差，kec表示k时刻电压误差偏差率。根据不同时刻的e、ec对PID的Kp、KI、KD进行在线整定，满足不同时刻e和ec对三个参数Kp、KI、KD自整定的要求。
具体地，所述自适应模糊PID控制单元中，检测到实际压降值位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池处于正常状态；
检测到实际压降值高于两相流稳态压降控制线时，故障诊断为水淹；通过采取流量脉冲吹扫流道的方式进行排水，即利用自适应模糊PID控制器及时增大氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压；
检测到实际压降值低于阴极缺水预警线时，故障诊断为膜干；通过实时减小进气流量来增加电池内部含水量，即利用自适应模糊PID控制器及时减小氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压。
本领域的技术人员应当理解，此处所述的具体实施方案仅用解释本发明，并不用于限制本发明。在本发明的精神和原则之内作出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，包括步骤：
1)采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；
2)根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；
3)通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；
4)建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；
5)利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行；
所述步骤2)中，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失Δp分为沿程损失Δpf和局部损失Δpj，如式(1)：
Δp＝Δpf+Δpj (1)
经理论推导后，建立如下的阴极单相流压降模型：
Δp＝k1Iλ+k2(Iλ)2 (2)
其中，
上式中，Rm为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，pin为进口蒸气压，psat为饱和蒸气压，Ain为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，Dh为流道水力直径，A为流道横截面积，n为流道数目，I表示电流密度，k1为一次项系数，k2为二次项系数；
所述步骤4)中，利用阴极单相流压降模型计算两相流稳态压降值和2倍阴极单相流压降值，分别作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线；将指定工况下的实际压降值与两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，判断此时质子交换膜燃料电池内部水状态。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述的阴极压降值用于反应质子交换膜燃料电池流道内部含水量及作为质子交换膜燃料电池水故障在线诊断的指标。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，利用遗传与粒子群优化混合算法得到阴极单相流压降模型参数综合的局部损失系数ζ的值。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程如下：
步骤A)，通过压降-流速曲线拟合出k1、k2，得到阴极单相流压降模型中压力损失的计算方程式；
步骤B)，获得任意恒电流运行模式下压降-时间曲线，找出稳态压降值并计算等效水膜厚度；
步骤C)，计算指定工况下的两相流稳态压降值及2倍阴极单相流压降值，其中，两相流稳态压降值通过将阴极单相流压降模型中的流道横截面积和水力直径替换为剔除水膜后的流道横截面积和水力直径得到；两相流稳态压降值作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线，2倍阴极单相流压降值作为质子交换膜燃料电池的阴极缺水预警线；
步骤D)，将指定工况下实际压降值与计算得出的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，实际压降值若高于两相流稳态压降控制线，则故障诊断为水淹；若低于阴极缺水预警线，则故障诊断为膜干；若位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池内部含水量处于正常范围内。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，
检测到实际压降值位于两相流稳态压降控制线与阴极缺水预警线之间，则判断质子交换膜燃料电池处于正常状态；
检测到实际压降值高于两相流稳态压降控制线时，故障诊断为水淹；通过采取流量脉冲吹扫流道的方式进行排水，即利用自适应模糊PID控制器及时增大氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压；
检测到实际压降值低于阴极缺水预警线时，故障诊断为膜干；通过实时减小进气流量来增加电池内部含水量，即利用自适应模糊PID控制器及时减小氢气流量，从而调控质子交换膜燃料电池输出电压。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，自适应模糊PID控制器将模糊控制和常规PID结合，利用模糊规则进行模糊推理，根据不同时刻的e、ec对PID的Kp、KI、KD进行在线整定，满足不同时刻e、ec对三个参数Kp、KI、KD自整定的要求；所述的e、ec分别表示电压误差、电压误差偏差率；Kp、KI、KD分别表示比例系数、积分系数、微分系数。
7.质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统，其特征在于，包括：
阴极压降值采集单元：采集实际工况下的质子交换膜燃料电池内部的阴极压降值；
阴极单相流压降模型构建单元：根据质子交换膜燃料电池内部产生的阴极压降值构建阴极单相流压降模型；
参数辨识单元：通过遗传与粒子群优化混合算法对阴极单相流压降模型进行参数辨识；
内部水状态判断单元：建立水故障与阴极单相流压降模型之间的耦合关系，判断质子交换膜燃料电池内部水状态；
自适应模糊PID控制单元：利用自适应模糊PID控制器，控制质子交换膜燃料电池内部含水量保持在正常范围内，实时维持质子交换膜燃料电池在正常状态下稳定运行；
所述的阴极单相流压降模型构建单元中，不考虑由于气体消耗及进出口流速改变引起的加速损失，则流体经过流道后的压力损失Δp分为沿程损失Δpf和局部损失Δpj，如式(1)：
Δp＝Δpf+Δpj (1)
经理论推导后，建立如下的阴极单相流压降模型：
Δp＝k1Iλ+k2(Iλ)2 (2)
其中，
上式中，Rm为电解质电阻-质子交换膜阻抗，T为电堆温度，pin为进口蒸气压，psat为饱和蒸气压，Ain为进口截管总面积，ζ为综合的局部损失系数，Φ为气体相对湿度，λ为流量，L为流道长度，Dh为流道水力直径，A为流道横截面积，n为流道数目，I表示电流密度，k1为一次项系数，k2为二次项系数；
所述的内部水状态判断单元中，利用阴极单相流压降模型计算出两相流稳态压降值和2倍阴极单相流压降值，分别作为质子交换膜燃料电池的两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线；将指定工况下的实际压降值与两相流稳态压降控制线和阴极缺水预警线相比较，判断此时质子交换膜燃料电池内部水状态。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统，其特征在于，所述的阴极压降值采集单元中，所述的压降用于反应质子交换膜燃料电池流道内部含水量及作为质子交换膜燃料电池水故障在线诊断的指标。
9.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制系统，其特征在于，所述的参数辨识单元中，利用遗传与粒子群优化混合算法得到阴极单相流压降模型中综合的局部损失系数ζ的值。
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