CN114824383B - 一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，属于新能源发电技术领域，包括排气周期控制方法和排气时长控制方法，具体利用电化学阻抗谱中超低频点和低频点的模值之差，作为控制排气周期的依据，实现阳极排气阀门的动态开启，并基于一维寻优的思维获取最佳排气持续时间，避免了排气周期和排气时长之间的耦合影响。本发明相比于传统控制方法，具有更强的环境适应性，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。

Description

一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为清洁能源的一种，具有高效率、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，被视为小型用电系统的未来理想电源。
燃料电池发生电化学反应需要充足的氢气以及氧气，空冷燃料电池阴极直接暴露在大气中，无需考虑氧气供给的问题，因此氢气供给成为空冷燃料电池的一个关键问题。对于应用在诸如无人机等小型用电系统上的空冷燃料电池而言，其所能携带的氢气容量有限，因此如何高效地利用氢气成为提高燃料电池无人机续航能力的关键。一般情况下空冷燃料电池的氢气由阳极高压氢气瓶通入，同时在阳极出口处设置有排气阀门。最为理想的情况是阳极排气阀门始终关闭，这样由高压气瓶通入的氢气将全部用于发生电化学反应，即氢气利用效率为100％。但在空冷燃料电池的实际运行过程中，阴极侧产生的水由于浓度梯度会逐渐累积到阳极，同时空气中的氮气也有部分会穿过质子交换膜累积到阳极，过多的水和氮气累积会阻塞阳极气体扩散层，导致阳极发生水淹，进而导致电堆性能下降，因此需要在某些时刻打开阳极排气阀以排出累积的水和氮气。
所谓空冷燃料电池阳极控制方法，实际上就是如何确定排气阀门的开启周期以及每次开启的排气时长。现有的空冷燃料电池阳极排气策略主要有两种。一种是固定排气周期和排气时长，即电堆在工作固定一段时间后打开排气阀，排气阀打开固定一段时间后再关闭，如此往复。但是由于空冷燃料电池受环境条件的强烈影响，不同环境下阳极水和氮气的累积速度不同，相应的排气周期和排气时长也会不同，因此不能采用固定的排气周期和排气时长进行控制。另一种方法是以电堆的输出电压作为触发排气阀开启的条件，当输出电压降低到一定值时，就认为当前时刻电堆需要开启排气阀门。这种方法的缺点在于电堆电压的下降并不总是由于阳极水和氮气积累造成的，有可能是其他因素，比如温度变化导致，因此仅依据电压来判断排气阀是否开启有可能造成误判，从而导致氢气利用率降低。基于以上两种方法的缺陷，需要发明一种既能对环境条件有一定适应性，又能准确判断何时开启阳极排气阀门的空冷燃料电池阳极控制方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，对环境条件有更强适应性。
本发明具体技术方案如下：
一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，其特征在于，包括排气周期控制方法和排气时长控制方法；
所述排气周期控制方法包括以下步骤：
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系统；
步骤A2：开启阴极风扇，阴极风扇转速受脉宽调制信号(PWM)的占空比控制，通过调整PWM占空比为固定值，为空冷型燃料电池电堆提供氧气，同时恒定的阴极风扇转速会保持电堆温度恒定；
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至稳定；
步骤A4：关闭阳极排气阀门，使得水和氮气逐渐在阳极累积，空冷型燃料电池电堆的电压逐渐下降，当电压下降至预设值时认为阳极发生水淹，此时测量得到空冷型燃料电池电堆的电化学阻抗谱的Nyquist(奈奎斯特)图，计算Nyquist图中超低频点FSL和低频点FL对应的模值之差，作为负载电流值为I时的模值差界限L；
步骤A5：实际控制中，当负载电流值为I时，实时测量空冷型燃料电池电堆的电化学阻抗谱的超低频点FSL'和低频点FL'的模值，若测得的超低频点FSL'和低频点FL'对应的模值之差L'超过模值差界限L，则开启阳极排气阀门，以排出累积的水和氮气；否则，保持阳极排气阀门关闭，实现阳极排气阀门的动态开启；
所述排气时长控制方法包括以下步骤：
步骤B1：重复所述排气周期控制方法中的步骤A1～A3；
步骤B2：按照所述排气周期控制方法动态开启阳极排气阀门；
步骤B3：设置每次阳极排气阀门的开启持续时间T为初始值，待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出X时间内的平均输出电，作为当前期望输出Vmax；
步骤B4：令阳极排气阀门的开启持续时间T＝T-ΔT，再次待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出X时间内的平均输出电压，若大于Vmax，则覆盖Vmax作为更新后的当前期望输出Vmax；否则，保持更新前的当前期望输出Vmax；
步骤B5：重复步骤B4，当连续重复两次后未更新Vmax或者重复次数大于N次时，停止实验，此时Vmax所对应的阳极排气阀门的开启持续时间即为负载电流值为I时的最佳排气持续时间。
进一步地，步骤B3中阳极排气阀门的开启持续时间初始值为3～6s，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，若低于3秒可能会导致最佳排气时间在寻优范围之外，若高于6秒则会造成氢气的浪费。
进一步地，步骤B3和B4中稳定输出时间X为5～15min，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，若低于5分钟所得数据可能包含较多的噪声干扰，若高于15分钟则会增加实验的时间成本。
进一步地，步骤B4中ΔT为0.1～1s，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，ΔT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，步骤B5中N为排气时长从初始值T减小至1秒所需的重复次数，对于所采用的空冷型燃料电池，1秒已经是最小的排气时长。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，利用电化学阻抗谱Nyquist图中超低频点和低频点的模值之差，作为控制排气周期的依据，实现阳极排气阀门的动态开启，直指空冷型燃料电池电堆的反应过程本质，具体为电堆阳极水和氮气积累过程；相比于传统控制方法，具有更强的环境适应性；
2、本发明仅选取超低频点和低频点作为判断依据，相比于选择电化学阻抗谱的测量全谱，能显著加快测量时间；
3、本发明基于一维寻优的思维获取最佳排气持续时间，避免了排气周期和排气时长之间的耦合影响，实施步骤简单清晰，便于具体实验测试；
4、本发明提出的阳极控制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所基于的空冷燃料电池阳极控制系统的结构示意图；
图2为空冷燃料电池电堆在阳极排气阀门关闭过程中的控制曲线图；
图3为空冷燃料电池电堆在阳极排气阀门关闭过程中所采集的电化学阻抗谱Nyquist图；
图4为本发明实施例1中确定模值差界限L的流程框图；
图5为本发明实施例1中动态开启阳极排气阀门的流程框图；
图6为本发明实施例1中排气时长控制方法的流程框图。
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
基于如图1所示的空冷燃料电池阳极控制系统，本实施例提出了一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，包括排气周期控制方法和排气时长控制方法。
所述空冷燃料电池阳极控制系统包括氢气瓶、阳极氢气进气阀门、空冷型燃料电池电堆、阳极排气阀门、燃料电池控制器和电化学阻抗谱测试仪。
所述排气周期控制方法包括以下步骤：
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，将阴极风扇PWM占空比调节至固定值50％，为空冷型燃料电池电堆提供氧气，并保持温度恒定。
步骤A3：设置负载电流为固定值15A，空冷型燃料电池电堆开始工作至稳定。
步骤A4：关闭阳极排气阀门，使得水和氮气逐渐在阳极累积，空冷型燃料电池电堆的电压逐渐下降，如图2所示，依次选取采样点1和采样点2；通过电化学阻抗谱测试仪测量得到空冷型燃料电池电堆分别在采样点1和采样点2所对应的电化学阻抗谱的Nyquist图，如图3所示，本实施例根据所采用的空冷型燃料电池电堆的特性，选取超低频点为0.17HZ，低频点为0.7HZ，图3中箭头方向为频率减小的方向；由于图3所示的采样点2对应的电化学阻抗谱出现了明显的传质损失曲线，超低频点FSL2的模值显著增大，认为采样点2对应的空冷型燃料电池电堆发生水淹，此时采样点2对应的电压下降至初始电压的95％，因此将电压下降至初始电压的95％作为发生水淹的判断依据；将采样点2的超低频点FSL2和低频点FL2对应的模值之差，作为负载电流值为15A时的模值差界限L；上述确定模值差界限L的流程框图如图4所示。
步骤A5：实际控制中，当负载电流值为15A时，通过电化学阻抗谱测试仪测量得到空冷型燃料电池电堆的电化学阻抗谱的Nyquist图，燃料电池控制器计算Nyquist图中超低频点FSL'和低频点FL'对应的模值之差L'，并实时比较模值之差L'与步骤A4获得的模值差界限L，若模值之差L'超过模值差界限L，则开启阳极排气阀门，以排出累积的水和氮气；否则，保持阳极排气阀门关闭，实现阳极排气阀门的动态开启，整个控制流程如图5所示。
所述排气时长控制方法是基于一维寻优的思想实现，整个控制流程如图6所示，包括以下步骤：
步骤B1：重复所述排气周期控制方法中的步骤A1～A3。
步骤B2：按照所述排气周期控制方法动态开启阳极排气阀门。
步骤B3：设置每次阳极排气阀门的开启持续时间T为初始值4s，待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出10min时间内的平均输出电压，即第k＝1次的电堆输出电压Vk，作为当前期望输出Vmax＝Vk。
步骤B4：若k＞N＝6，转至步骤B6；否则，令k＝k+1，阳极排气阀门的开启持续时间T＝T-ΔT＝T-0.5s，再次待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出10min时间内的平均输出电压Vk，若Vk＞Vmax，则覆盖Vmax作为更新后的当前期望输出Vmax；否则，保持更新前的当前期望输出Vmax；转至步骤B5。
步骤B5：重复步骤B4，当连续重复两次后未更新Vmax时，转至步骤B6。
步骤B6：停止实验，此时Vmax所对应的阳极排气阀门的开启持续时间，即为负载电流值为15A时每次阳极排气阀门开启的最佳排气持续时间；
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 (4)

1.一种基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，其特征在于，包括排气周期控制方法和排气时长控制方法；
所述排气周期控制方法包括以下步骤：
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并保持温度恒定；
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至稳定；
步骤A4：关闭阳极排气阀门，空冷型燃料电池电堆的电压逐渐下降，当电压下降至预设值时，测量得到空冷型燃料电池电堆的电化学阻抗谱，计算超低频点和低频点对应的模值之差，作为负载电流值为I时的模值差界限；
步骤A5：实际控制中，当负载电流值为I时，实时测量空冷型燃料电池电堆的电化学阻抗谱，若测得的超低频点和低频点对应的模值之差超过模值差界限，则开启阳极排气阀门；否则，保持阳极排气阀门关闭；
所述排气时长控制方法包括以下步骤：
步骤B1：重复所述排气周期控制方法中的步骤A1～A3；
步骤B2：按照所述排气周期控制方法动态开启阳极排气阀门；
步骤B3：设置每次阳极排气阀门的开启持续时间T为初始值，待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出X时间内的平均输出电压，作为当前期望输出Vmax；
步骤B4：令阳极排气阀门的开启持续时间T＝T-ΔT，再次待空冷型燃料电池电堆持续工作至输出稳定后，记录稳定输出X时间内的平均输出电压，若大于Vmax，则作为更新后的当前期望输出Vmax；否则，保持更新前的当前期望输出Vmax；
步骤B5：重复步骤B4，当连续重复两次后未更新Vmax或者重复次数大于N次时，Vmax所对应的阳极排气阀门的开启持续时间即为负载电流值为I时的最佳排气持续时间；其中，N为阳极排气阀门的开启持续时间从初始值T减小至1s所需的重复次数。
2.根据权利要求1所述基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，其特征在于，步骤B3中阳极排气阀门的开启持续时间初始值为3～6s。
3.根据权利要求1所述基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，其特征在于，步骤B3和B4中稳定输出时间X为5～15min。
4.根据权利要求1所述基于电化学阻抗谱的空冷型燃料电池阳极控制方法，其特征在于，步骤B4中ΔT为0.1～1s。
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