CN114678567A - 一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，涉及燃料电池性能优化领域。该燃料电池系统功率优化方法通过建立基于燃料电池系统控制参数的阴阳极气体模型和单片电池电压模型，得到燃料电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数；依据燃料电池系统安全性能、水管理系统和热交换设备的功耗设置控制参数的约束条件；采用非支配排序的遗传算法迭代优化电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，将控制参数作为非支配排序的遗传算法的输入，保证燃料电池输出功率最大的同时空压机功率最小，输出最优的控制参数。本发明燃料电池系统功率优化方法在提高燃料电池输出功率的同时降低空压机功率，且具有较高的稳定性。

Description

一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法

技术领域

本发明涉及燃料电池性能优化领域，具体地，涉及一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法。

背景技术

燃料电池作为新能源的一种，因其能效高、将化学能转换成电能且效率不受卡诺循环限制等诸多优点，受到了国家的大力支持和企业的青睐，在各方面的技术问题已经取得关键性的进展，而质子交换膜燃料电池因其功率密度高和工作温度低等突出优点，也得到了广泛使用。但是，在燃料电池系统中，空气压缩机、水冷泵和加湿器等辅助设备构成的寄生功率直接影响了燃料电池的输出功率，而空压机的功率又占寄生功率的80％-90％，占到整个燃料电池系统的20％-30％，对燃料电池系统的可操作主要方式有通过散热器对电堆温度进行调节，设计控制器对阴极和阳极气压作控制，调节空压机的进气阀控制进气量。目前研究的方向还主要在改变单一参数来对燃料电池性能的影响，比如通过实验分别调试电堆温度、相对湿度、空气过量系数、气体压力参数提高燃料电池输出功率；或是在固定负载电流下，分别测试了电堆温度，阴、阳极气压和空气过量系数对单片电池电压的影响；或分别改变工作温度、电流密度、进气压力和进气相对湿度下，电池功率的变化情况。但是这些参数相互影响，而单一参数的改变不够全面，不能维持燃料电池最佳运行状态，对燃料电池系统的改进有限。而针对多个操作变量协同优化，在复杂工况下能获得比较理想的净功率，从根本上提高燃料电池的经济性，具备一定的实际意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，包括如下步骤：

(1)建立基于燃料电池系统控制参数的阴阳极气体模型和单片电池电压模型，得到燃料电池输出功率目标函数；通过质量守恒、能量守恒方程和控制参数，得到空压机功率目标函数；

(2)依据燃料电池系统安全性能、水管理系统和热交换设备的功耗设置控制参数的约束条件；

(3)采用非支配排序的遗传算法NSGA2迭代优化电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，将控制参数作为非支配排序的遗传算法NSGA2的输入，保证燃料电池输出功率最大的同时空压机功率最小，输出最优的控制参数。

进一步地，所述控制参数包括：燃料电池电堆温度T_st、空气过量系数

阴极气压P_ca、阳极气压P_an。

进一步地，所述控制参数的约束条件为：

其中，K为温度单位，atm表示气压单位。

进一步地，所述燃料电池输出功率目标函数为：P_st＝n×V_fc×i_st，

其中，n为燃料电池系统中单片电池数量，V_fc为单片电池电压模型，i_st为燃料电池负载电流。

进一步地，所述单片电池电压模型V_fc的构建过程具体为：根据设置的燃料电池的负载电流、燃料电池的活化面积和燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型以及燃料电池选型，分别求取热力学电动势E₀、活化电压损失V_act、欧姆电压损失V_ohm、浓差电压损失V_conc，组成单片电池电压模型V_fc＝E₀+V_act-V_ohm-V_conc。

进一步地，所述燃料电池选型包括：交换膜的等膜阻抗、交换膜电阻率、交换膜的厚度和燃料电池的最大电流密度，所述热力学电动势E₀通过燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型求取得到，所述活化电压损失V_act通过燃料电池的活化面积、燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型和燃料电池的负载电流求取得到，所述欧姆电压损失V_ohm通过交换膜的等膜阻抗、交换膜电阻率、交换膜的厚度求取得到，所述浓差电压损失V_conc通过燃料电池的电流密度和燃料电池的最大电流密度求取得到。

进一步地，所述阴阳极气体模型由氢气分压和氧气分压组成，根据阴极气压P_ca、阳极气压p_an、饱和蒸汽压

和燃料电池的电流密度I_den，获取氢气分压和氧气分压，所述氢气分压表示为：

所述氧气分压表示为：

其中，

为氢气分压，

为氧气分压。

进一步地，所述空压机功率目标函数P_cp为：

其中，C_p.air为空气定压比热容，T_amb为环境温度，η_cp为空压机效率，γ比热容比，R_a为空气气体常数，V_sm为空气供气管道体积，λ_air为空气过量系数，l_st为空气与氢气化学计量比，P_st为燃料电池功率，η_fc为燃料电池效率，LHV为氢气的低热质，k_ca.in为阴极气体进入系数，p_ca为阴极气压，T_st为燃料电池电堆温度，p_amb为大气压强。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明燃料电池系统功率优化方法通过控制参数构建燃料电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，具有兼顾燃料电池本身性能和寄生功率优化以及协调多控制参数的特点；采用非支配排序的遗传算法NSGA2迭代优化电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，保证燃料电池输出功率最大的同时空压机功率最小，输出最优的控制参数，提高燃料电池系统功率的同时，降低寄生功率，能将空压机功率占比优化至理想范围内，同时，燃料电池系统在正常负载电流范围下，通过本发明燃料电池系统功率优化方法能够有效优化净功率。

附图说明

图1为本发明针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法流程图；

图2为本发明燃料电池系统功率优化方法的结果图；

图3为采用本发明燃料电池系统功率优化方法和未优化的燃料电池输出功率对比图，图3中的a为未优化的燃料电池输出功率曲线图，图3中的b为采用本发明燃料电池系统功率优化方法的燃料电池输出功率曲线图；

图4为在140A～300A负载电流下燃料电池系统的净功率优化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。

如图1为本发明针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法流程图，该燃料电池系统功率优化方法具体包括如下步骤：

(1)建立基于燃料电池系统控制参数的阴阳极气体模型和单片电池电压模型，得到燃料电池输出功率目标函数；通过质量守恒、能量守恒方程和控制参数，得到空压机功率目标函数；本发明中控制参数包括：燃料电池电堆温度T_st、空气过量系数

阴极气压P_ca、阳极气压P_an，通过控制参数建立燃料电池输出功率和空压机功率之间的连通关系。具体地，燃料电池输出功率目标函数是以燃料电池电堆温度T_st、阴极气压P_ca和阳极气压P_an作为自变量，空压机功率目标函数是以空气过量系数

燃料电池电堆温度T_st、阴极气压P_ca和阳极气压P_an作为自变量。

本发明中燃料电池输出功率目标函数为：P_st＝n×V_fc×i_st，

其中，n为燃料电池系统中单片电池数量，i_st为燃料电池负载电流，V_fc为单片电池电压模型，本发明中单片电池电压模型V_fc的构建过程具体为：根据设置的燃料电池的负载电流i_st、燃料电池的活化面积A、燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型以及燃料电池选型，分别求取热力学电动势E₀、活化电压损失V_act、欧姆电压损失V_ohm、浓差电压损失V_conc，组成单片电池电压模型V_fc＝E₀+V_act-V_ohm-V_conc，本发明建立的单片电池电压模型比化学反应模型更加贴近实际情况。

本发明中阴阳极气体模型由氢气分压和氧气分压组成，根据阴极气压P_ca、阳极气压p_an、饱和蒸汽压

和燃料电池的电流密度I_den，获取氢气分压和氧气分压，上述方法通过可操控的控制参数来替代难以测量的氢气分压和氧气分压，具体地，氢气分压表示为：

氧气分压表示为：

其中，

为氢气分压，

为氧气分压。

本发明中燃料电池选型包括：交换膜的等膜阻抗R_m、交换膜电阻率r_M、交换膜的厚度l_mem和燃料电池的最大电流密度I_den.max，具体地，热力学电动势E₀通过燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型求取得到：

活化电压损失V_act通过燃料电池的活化面积A、燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型和燃料电池的负载电流i_st求取得到：

欧姆电压损失V_ohm通过交换膜的等膜阻抗R_m、交换膜电阻率r_M、交换膜的厚度l_mem求取得到：

V_ohm＝i_st×(R_m+r_Ml_mem/A)

浓差电压损失V_conc通过燃料电池的电流密度I_den和燃料电池的最大电流密度I_den.max求取得到：

本发明中空压机功率目标函数P_cp为：

其中，C_p.air为空气定压比热容，T_amb为环境温度，η_cp为空压机效率，γ比热容比，R_a为空气气体常数，V_sm为空气供气管道体积，λ_air为空气过量系数，l_st为空气与氢气化学计量比，P_st为燃料电池功率，η_fc为燃料电池效率，LHV为氢气的低热质，k_ca.in为阴极气体进入系数，p_ca为阴极气压，T_st为燃料电池电堆温度，p_amb为大气压强。

该空压机功率目标函数的推导过程如下：

空压机功率函数

其中，p_sm为进气供应管道压力，W_air为空气质量流量，

根据质量守恒和能量守恒方程，进气供应管道气体流动表示为：

其中，W_sm表示进气供应管道流量；由于进气供应管道喷嘴的上下压强差较小，使得进气供气管道流量W_sm线性表示为：W_sm＝k_ca.in*(p_sm-p_ca)，从而使得空压机功率目标函数用控制参数表示。

(2)依据燃料电池系统安全性能、水管理系统和热交换设备的功耗设置控制参数的约束条件：

其中，K为温度单位，atm表示气压单位；

本发明中将阴极气压P_ca和阳极气压P_an约束在1atm～3atm，是由于燃料电池系统Ballard Mark-V的正常工作温度在50℃～90℃范围内，考虑到燃料电池电堆温度过高会使质子交换膜的湿度降低，影响化学反应速率，损伤质子交换膜对电子的传递性和寿命；将燃料电池电堆温度T_st设置在323K～348K，能够保证燃料电池系统的水管理和热交换器的性能，而过高的温度会增加燃料电池水管理系统的功耗。

(3)采用非支配排序的遗传算法NSGA2迭代优化电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，将控制参数作为非支配排序的遗传算法NSGA2的输入，保证燃料电池输出功率最大的同时空压机功率最小，输出最优的控制参数。

如图2为本发明燃料电池系统功率优化方法的结果图，可以看出空压机功率占比为燃料电池输出功率占比的12.04％，在提高燃料电池系统功率的同时，降低寄生功率，能将空压机功率占比优化至理想范围内。根据燃料电池的具体选型，采用本发明燃料电池系统功率优化方法优化控制参数，并设置燃料电池负载电流为140A，图3中的b为采用本发明燃料电池系统功率优化方法的燃料电池输出功率曲线图，图3中的a为未优化的燃料电池输出功率曲线图，可以看出优化后，燃料电池输出功率提高了11.65％；可见经过燃料电池系统功率优化方法优化的控制参数代入燃料电池系统模型中，确实能够有效提高燃料电池的输出性能；同样，对于不同的燃料电池负载电流，通过本发明燃料电池系统功率优化方法，均能够提升燃料电池输出功率和空压机功率占比。

如图4为在140A～300A负载电流下燃料电池系统的净功率优化图，净功率表示为燃料电池输出功率与空压机功率之差，从图4中可以看出在额定功率5kW的正常稳态下，经本发明优化控制参数后，燃料电池系统的空压机功率占比最大达到燃料电池输出功率占比的14.0％。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立基于燃料电池系统控制参数的阴阳极气体模型和单片电池电压模型，得到燃料电池输出功率目标函数；通过质量守恒、能量守恒方程和控制参数，得到空压机功率目标函数；

(2)依据燃料电池系统安全性能、水管理系统和热交换设备的功耗设置控制参数的约束条件；

(3)采用非支配排序的遗传算法NSGA2迭代优化电池输出功率目标函数和空压机功率目标函数，将控制参数作为非支配排序的遗传算法NSGA2的输入，保证燃料电池输出功率最大的同时空压机功率最小，输出最优的控制参数。

2.根据权利要求1所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述控制参数包括：燃料电池电堆温度T_st、空气过量系数

阴极气压P_ca、阳极气压P_an。

3.如权利要求2所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述控制参数的约束条件为：

其中，K为温度单位，atm表示气压单位。

4.如权利要求1所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述燃料电池输出功率目标函数为：P_st＝n×V_fc×i_st，

其中，n为燃料电池系统中单片电池数量，V_fc为单片电池电压模型，i_st为燃料电池负载电流。

5.如权利要求1或4所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述单片电池电压模型V_fc的构建过程具体为：根据设置的燃料电池的负载电流、燃料电池的活化面积和燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型以及燃料电池选型，分别求取热力学电动势E₀、活化电压损失V_act、欧姆电压损失V_ohm、浓差电压损失V_conc，组成单片电池电压模型V_fc＝E₀+V_act-V_ohm-V_conc。

6.如权利要求5所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述燃料电池选型包括：交换膜的等膜阻抗、交换膜电阻率、交换膜的厚度和燃料电池的最大电流密度，所述热力学电动势E₀通过燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型求取得到，所述活化电压损失V_act通过燃料电池的活化面积、燃料电池电堆温度T_st、阴阳极气体模型和燃料电池的负载电流求取得到，所述欧姆电压损失V_ohm通过交换膜的等膜阻抗、交换膜电阻率、交换膜的厚度求取得到，所述浓差电压损失V_conc通过燃料电池的电流密度和燃料电池的最大电流密度求取得到。

7.如权利要求5所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述阴阳极气体模型由氢气分压和氧气分压组成，根据阴极气压P_ca、阳极气压p_an、饱和蒸汽压

和燃料电池的电流密度I_den，获取氢气分压和氧气分压，所述氢气分压表示为：

所述氧气分压表示为：

其中，

为氢气分压，

为氧气分压。

8.如权利要求1所述针对控制参数的燃料电池系统功率优化方法，其特征在于，所述空压机功率目标函数P_cp为：

其中，C_p.air为空气定压比热容，T_amb为环境温度，η_cp为空压机效率，γ比热容比，R_a为空气气体常数，V_sm为空气供气管道体积，λ_air为空气过量系数，l_st为空气与氢气化学计量比，P_st为燃料电池功率，η_fc为燃料电池效率，LHV为氢气的低热质，k_ca.in为阴极气体进入系数，p_ca为阴极气压，T_st为燃料电池电堆温度，p_amb为大气压强。

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