CN115966734A - 一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略 Download PDF

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CN115966734A CN202211703660.7A CN202211703660A CN115966734A CN 115966734 A CN115966734 A CN 115966734A CN 202211703660 A CN202211703660 A CN 202211703660A CN 115966734 A CN115966734 A CN 115966734A
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Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略，首先，提出了一种多点电压监控方法，获取商业尺寸燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压；然后搭建阳极气体动态模型、气体渗透模型和电压模型，分别获取燃料电池阳极入口腔体和出口腔体内的氢气分压和浓度，并以此提出燃料电池氢气控制策略和评价指数。本方案针对商业尺寸燃料电池内部组分分布不均的问题，提出商业尺寸燃料电池的氢气浓度估算方法，并能够更加准确的描述燃料电池内部气体组分变化，提高控制效果，适用于商业尺寸石墨板燃料电池。

Description

一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略
技术领域
本发明燃料电池氢气浓度估计与控制领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略。
背景技术
近年来，燃料电池发动机受到越来越多的关注，燃料电池发动机由燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制器系统等组成。空气供给系统和氢气供给系统分别将空气和氢气泵送到燃料电池堆的阴极和阳极。氢气在阳极被氧化成氢离子，并通过质子交换膜迁移至阴极，与阴极的氧气发生还原反应生成水。在此过程中，需要为燃料电池泵送超量多的氢气和空气，防止出现燃料饥饿的故障。
出于节约成本的考虑，循环利用超量的氢气，氢气供给系统中会设置循环泵，将排出阳极的氢气和水蒸气再泵送至阳极入口。由于在燃料电池工作过程中，氮气会从阴极渗透至阳极；而氢气会从阳极渗透至阴极。这样不可避免的会降低阳极侧的氢气浓度，另外由于氢气循环的作用，从阴极穿越过来的氮气会在阳极腔体内不断积累，降低阳极侧的氢气浓度，无法实现阳极氮气浓度的准确和在线观测，无法实现有效的净化。目前已有研究中还没有能够稳定地实现阳极氮气浓度的在线观测。最终导致燃料电池性能降低和寿命衰减。
并且，传统的氢气估计方法并不适用于商业尺寸燃料电池发动机，由于功率要求，商业尺寸燃料电池的活性面积大多超过250cm2，活性面积的增加会导致燃料电池面内组分分布不均，加剧沿气体流道的气体浓度损失。这导致在阳极入口和阳极出口位置分别采集的电压不相等，以往估计方法中，将阳极气体浓度均一化，并不适合估计商业尺寸燃料电池阳极的氢气浓度。
发明内容
本发明针对商业尺寸燃料电池发动机系统运行过程中阳极氢气浓度在线观测的问题，提出一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略，基于多点电压监控方法，提出阳极氢气浓度估计策略，实现阳极氢气浓度的在线观测，为调节燃料电池的氢气供应技术提供技术支持。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，包括以下步骤：
步骤A、采用多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；
步骤B、基于多点电压数据建立阳极两腔体气体动态模型；
将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，两个腔体在电路上并联，在气路上串联，氢气先经过阳极入口腔体，在阳极入口腔体中发生反应后再进入阳极出口腔体，分别构建两个腔体的气体动态模型；
步骤C、基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型；
步骤D、根据步骤B构建的气体动态模型和步骤C构建的跨膜传输模型，构建电压模型，以根据燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压参数之间的关系，揭示氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系；
步骤E、根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，结合多点电压数据，分解计算阳极流道中的氢气浓度，进而获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度。
进一步的，所述步骤B中，两个腔体的气体动态模型如下：
(1)阳极入口腔体中不同气体动态模型：
Figure BDA0004025480550000021
Figure BDA0004025480550000022
Figure BDA0004025480550000023
Figure BDA0004025480550000024
Figure BDA0004025480550000025
其中，
Figure BDA0004025480550000026
是阳极入口腔体中的氢气压力，Van是阳极的体积，R是理想气体常数，Tfc是电堆的温度，
Figure BDA0004025480550000027
是进入阳极入口腔体的氢气摩尔流速，
Figure BDA0004025480550000028
是进入阳极的氢气摩尔分数，
Figure BDA0004025480550000029
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氢气摩尔流速，
Figure BDA00040254805500000210
是阳极入口腔体中氢气摩尔分数，i1是阳极入口处半电池的电流，F是法拉第常数，A是电池的活性面积，N是电池的片数，
Figure BDA00040254805500000211
是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；
Figure BDA00040254805500000212
是阳极入口腔体中的氮气压力，
Figure BDA00040254805500000213
是阳极入口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000214
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氮气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000215
是阳极入口腔体中的水蒸气压力，
Figure BDA00040254805500000216
是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000217
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量，Pan,ch1是阳极入口腔体的气体压力，
Figure BDA00040254805500000218
是阳极入口腔体中的氢气摩尔分数；
(2)阳极出口腔体中不同气体动态模型：
Figure BDA00040254805500000219
Figure BDA0004025480550000031
Figure BDA0004025480550000032
Figure BDA0004025480550000033
Figure BDA0004025480550000034
其中，
Figure BDA0004025480550000035
是阳极出口腔体中的氢气压力，
Figure BDA0004025480550000036
是进入阳极入口腔体中的氢气摩尔分数，
Figure BDA0004025480550000037
是排出阳极的氢气摩尔流速，
Figure BDA0004025480550000038
是排出气体的氢气摩尔分数，i2是阳极出口处半电池的电流，
Figure BDA0004025480550000039
是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；
Figure BDA00040254805500000310
是阳极出口腔体中的氮气压力，
Figure BDA00040254805500000311
是阳极出口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000312
是排出的氮气摩尔流量；
Figure BDA00040254805500000313
是阳极出口腔体中的水蒸气压力，
Figure BDA00040254805500000314
是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000315
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量；Pan,ch2是阳极出口腔体的气体压力；
Figure BDA00040254805500000316
是阳极出口腔体中的氢气摩尔分数。
进一步的，所述步骤C中，所构建的气体跨膜传输模型如下：
Figure BDA00040254805500000317
Figure BDA00040254805500000318
Figure BDA00040254805500000319
Figure BDA00040254805500000320
Figure BDA00040254805500000321
Figure BDA00040254805500000322
其中，kH2是氢气的渗透系数，kN2是氮气的渗透系数，cca是阴极水浓度，can,ch1是阳极入口腔体的水浓度，can,ch2是阳极出口腔体的水浓度，nd是电渗阻力系数，Dw是反渗系数。
进一步的，所述步骤D中，所构建的电压模型如下：
Figure BDA00040254805500000323
Figure BDA00040254805500000324
其中，Vfc1和Vfc2是采用多点电压获取的燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压，a0是气体压力参数，Psat是大气压力，
Figure BDA00040254805500000325
是阴极侧的氧气浓度，其中
Figure BDA00040254805500000326
是由Nernst方程计算的开路电压，vact是活化电压损失，vohm是由聚合物膜对细胞的电阻造成的欧姆电压损失，vconc是反应物在反应中消耗时浓度下降造成的浓度电压损失。
本发明另外还提出一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法的控制策略，根据获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度，提出氢气浓度评估指数与氢气控制策略，假设第一片电池阳极入口腔体中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000041
则阳极出口腔体中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000042
设第j片电池的阳极入口腔体中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000043
则阳极出口腔体中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000044
根据k值将燃料电池划分为四个状态，具体如下：
Figure BDA0004025480550000045
其中，N是电池的片数，如果
1＜k≤1.5，k＝1.5；
1.5＜k≤2，k＝2；
2＜k≤2.5，k＝2.5；
2.5＜k，k＝3；
其中，k＝1.5时，不需要排氢措施；当k＝2时，将排氢频率提升8-15％；当k＝2.5时，将排氢频率提升15-25％，并增大氢喷比例阀开度；当k＝3时，及时报警
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案主要针对商业尺寸燃料电池，检测阳极出口位置的氢气浓度；将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，并分别搭建了气体动态模型、气体渗透模型和电压模型，以此来反映沿气体流道的氢气浓度损失；建立氢气浓度和电压动态关系的表达式，以多点电压数据表征对应位置的氢气浓度；能够更加准确的描述燃料电池内部气体组分变化，提高控制效果。
附图说明
图1为本发明实施例多点电压采样示意图；
图2为本发明实施例电池模型示意图；
图3为本发明实施例半电池假设示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
实施例1、一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其基本原理为：首先在商业尺寸燃料电池上实施多点电压监控方法，分别获取电池阳极入口和阳极出口处的电压。建立阳极两腔气体动态模型和气体跨膜传输模型。根据多点电压数据建立电压模型，并分别计算两个腔体的氢气分压以及氢气浓度。本发明中依托采集得到的多个位置电压信息，结合由燃料电池测试台提供的燃料电池阳极入口流量、压力、相对湿度，燃料电池温度、电流等信息，搭建上述模型，通过搭建上述模型，可以搭建氢气分压和电压之间的动态关系。
如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：首先建立如图1所示的商业尺寸燃料电池多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；
步骤2：基于多点电压数据建立阳极两腔气体动态模型；
如图2所示，将燃料电池阳极划分为两个腔体，阳极入口腔体1和阳极出口腔体2(以下简称腔体1和腔体2)，其中两个腔体在气路上串联，在电路上并联。氢气先经过腔体1，在腔体1中发生反应后再进入腔体2。
(1)腔体1中不同气体的动态模型如下：
Figure BDA0004025480550000051
其中，
Figure BDA0004025480550000052
是腔体1中的氢气压力，Van是阳极的体积，P是理想气体常数，Tfc是电堆的温度，
Figure BDA0004025480550000053
是进入腔体1的氢气摩尔流速，
Figure BDA0004025480550000054
是进入阳极的氢气摩尔分数，
Figure BDA0004025480550000055
是腔体1到腔体2的氢气摩尔流速，
Figure BDA0004025480550000056
是腔体1中氢气摩尔分数，i1是阳极入口处半电池的电流，F是法拉第常数，A是电池的活性面积，N是电池的片数，
Figure BDA0004025480550000057
是腔体1中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量。
Figure BDA0004025480550000058
其中，
Figure BDA0004025480550000059
是腔体1中的氮气压力，
Figure BDA00040254805500000510
是腔体1中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000511
是腔体1到腔体2的氮气摩尔流量。
Figure BDA00040254805500000512
其中，
Figure BDA00040254805500000513
是腔体1中的水蒸气压力，
Figure BDA00040254805500000514
是腔体1中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000515
是腔体1到腔体2的水蒸气摩尔流量。
Figure BDA00040254805500000516
其中，Pan,sh1是腔体1的气体压力。
Figure BDA0004025480550000061
Figure BDA0004025480550000062
是腔体1中的氢气摩尔分数。
(2)腔体2中不同气体的动态模型如下：
Figure BDA0004025480550000063
其中，
Figure BDA0004025480550000064
是腔体2中的氢气压力，
Figure BDA0004025480550000065
是进入腔体1中的氢气摩尔分数，
Figure BDA0004025480550000066
是排出阳极的氢气摩尔流速，
Figure BDA0004025480550000067
是排出气体的氢气摩尔分数，i2是阳极出口处半电池的电流，
Figure BDA0004025480550000068
是腔体2中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；
Figure BDA0004025480550000069
其中，
Figure BDA00040254805500000610
是腔体2中的氮气压力，
Figure BDA00040254805500000611
是腔体2中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000612
是排出的氮气摩尔流量。
Figure BDA00040254805500000613
其中，
Figure BDA00040254805500000614
是腔体2中的水蒸气压力，
Figure BDA00040254805500000615
是腔体2中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure BDA00040254805500000616
是腔体1到腔体2的水蒸气摩尔流量。
Figure BDA00040254805500000617
其中，Pan,ch2是腔体2的气体压力。
Figure BDA00040254805500000618
其中，
Figure BDA00040254805500000619
是腔体2中的氢气摩尔分数。
Figure BDA00040254805500000620
其中，
Figure BDA00040254805500000621
是排出气体的氢气摩尔分数。
Figure BDA00040254805500000622
Figure BDA00040254805500000623
其中，kan,in和kan,out分别是入口和出口的流量系数，
Figure BDA00040254805500000624
是出口的阳极压力，用以计算
Figure BDA00040254805500000625
和
Figure BDA00040254805500000626
根据步骤2的气体动态模型，分别计算得到阳极两个腔体中的氢气摩尔分数
Figure BDA00040254805500000627
步骤3：基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型。
Figure BDA0004025480550000071
Figure BDA0004025480550000072
Figure BDA0004025480550000073
Figure BDA0004025480550000074
Figure BDA0004025480550000075
Figure BDA0004025480550000076
其中，
Figure BDA0004025480550000077
是氢气的渗透系数，
Figure BDA0004025480550000078
是氮气的渗透系数，cca是阴极水浓度，can,ch1是阳极腔体1的水浓度，can,ch2是阳极腔体2的水浓度，nd是电渗阻力系数，Dw是反渗系数。
步骤4：根据搭建的气体动态模型和气体跨膜传输模型，搭建电压模型。
为此，需要建立燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压等测量参数之间的关系，揭示了氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系：
Figure BDA0004025480550000079
Figure BDA00040254805500000710
其中Vfc1和Vfc2是采用多点电压获取的燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压，a0是气体压力参数，Psat是大气压力，
Figure BDA00040254805500000711
是阴极侧的氧气浓度，其中
Figure BDA00040254805500000712
是由Nernst方程计算的开路电压，vact是活化电压损失，vohm是由聚合物膜对细胞的电阻造成的欧姆电压损失，vconc是反应物在反应中消耗时浓度下降造成的浓度电压损失。
步骤5：分别计算阳极腔体1和腔体2中的氢气分压和氢气浓度。
根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，模型中的气体参数是通过参数拟合或者台架提供。根据采集的多点电压数据，可以分别计算阳极流道中上游和下游的氢气浓度，获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度
通过这种方式可以解决商业尺寸燃料电池在不同位置的氢气浓度分布，避免了因为电压采样点选取位置，而导致燃料电池内部状态评估不准的问题，避免了燃料电池可能存在的严重故障，有效提升氢气浓度估算精度。
实施例2、针对实施例所提出的氢气浓度估计方法，本实施例提出一种基于电池控制系统的质子交换膜燃料电池氢气浓度控制策略，所述控制系统包括燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、热管理系统、多点电压监控模块、控制模块；其中，所述氢气供给系统包括氢喷阀、循环泵、引射器、再循环管线、排氢阀等，将从燃料电池堆的出口排出的氢气供回到燃料电池堆的入口；排氢阀设置在再循环管线中位于燃料电池堆的出口侧的位置处，并且当出口打开时，将再循环管线中的氢气排放到外部，多点电压监控模块分别采集电池阳极入口和阳极出口处的电压，并反馈至控制模块，控制模块进行计算，得到燃料电池中的氢气浓度，并调整氢喷阀的开度和排氢阀的开度，实现对氢气浓度的调节；
根据实施例1所获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度，提出氢气浓度评估指数与氢气控制策略，假设第一片电池阳极腔体1中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000081
则阳极腔体2中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000082
则第j片电池的阳极腔体1中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000083
则阳极腔体2中的氢气浓度是
Figure BDA0004025480550000084
根据k值将燃料电池划分为四个状态，具体如下：
Figure BDA0004025480550000085
其中，N是电池的片数，如果
1＜k≤1.5，k＝1.5；
1.5＜k≤2，k＝2；
2＜k≤2.5，k＝2.5；
2.5＜k，k＝3；
其中，需要说明的是，关于k值，单纯的范围值对系统来说很难控制，一般来说可以将一定范围内的数值看作一个定值，以实现更准确的控制，其中k＝1.5表示燃料电池阳极氢气浓度较佳，不需要排氢措施；当k＝2，表示阳极出口处有轻微的浓度损失，需要将排氢频率提升10％；当k＝2.5，表示阳极出口处有明显的浓度损失，需要将排氢频率提升20％，并增大氢喷比例阀开度；当k＝3，表示阳极出口处有浓度损失较大，需要及时报警。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、采用多点电压监控方法，获得燃料电池的多点电压数据；
步骤B、基于多点电压数据建立阳极两腔体气体动态模型；
将燃料电池阳极划分为阳极入口腔体和阳极出口腔体，两个腔体在电路上并联，在气路上串联，氢气先经过阳极入口腔体，在阳极入口腔体中发生反应后再进入阳极出口腔体，分别构建两个腔体的气体动态模型；
步骤C、基于多点电压数据建立气体跨膜传输模型；
步骤D、根据步骤B构建的气体动态模型和步骤C构建的跨膜传输模型，构建电压模型，以根据燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压参数之间的关系，揭示氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系；
步骤E、根据上述气体动态模型、气体跨膜传输模型和电压模型，结合多点电压数据，分解计算阳极流道中的氢气浓度，进而获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于：所述步骤B中，两个腔体的气体动态模型如下：
(1)阳极入口腔体中不同气体动态模型：
Figure FDA0004025480540000011
其中，
Figure FDA0004025480540000012
是阳极入口腔体中的氢气压力，Van是阳极的体积，R是理想气体常数，Tfc是电堆的温度，
Figure FDA0004025480540000013
是进入阳极入口腔体的氢气摩尔流速，
Figure FDA0004025480540000014
是进入阳极的氢气摩尔分数，
Figure FDA0004025480540000016
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氢气摩尔流速，
Figure FDA0004025480540000015
是阳极入口腔体中氢气摩尔分数，i1是阳极入口处半电池的电流，F是法拉第常数，A是电池的活性面积，N是电池的片数，
Figure FDA0004025480540000017
是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；
Figure FDA0004025480540000018
是阳极入口腔体中的氮气压力，
Figure FDA00040254805400000113
是阳极入口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure FDA0004025480540000019
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的氮气摩尔流量，
Figure FDA00040254805400000111
是阳极入口腔体中的水蒸气压力，
Figure FDA00040254805400000110
是阳极入口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure FDA00040254805400000112
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量，Pan,ch1是阳极入口腔体的气体压力，
Figure FDA00040254805400000212
是阳极入口腔体中的氢气摩尔分数；
(2)阳极出口腔体中不同气体动态模型：
Figure FDA0004025480540000021
Figure FDA0004025480540000022
Figure FDA0004025480540000023
Figure FDA0004025480540000024
Figure FDA0004025480540000025
其中，
Figure FDA00040254805400000213
是阳极出口腔体中的氢气压力，
Figure FDA00040254805400000214
是进入阳极入口腔体中的氢气摩尔分数，
Figure FDA00040254805400000215
是排出阳极的氢气摩尔流速，
Figure FDA00040254805400000216
是排出气体的氢气摩尔分数，i2是阳极出口处半电池的电流，
Figure FDA00040254805400000217
是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的氢气摩尔流量；
Figure FDA00040254805400000218
是阳极出口腔体中的氮气压力，
Figure FDA00040254805400000220
是阳极出口腔体中阴极渗透到阳极的氮气摩尔流量，
Figure FDA00040254805400000219
是排出的氮气摩尔流量；
Figure FDA00040254805400000221
是阳极出口腔体中的水蒸气压力，
Figure FDA00040254805400000222
是阳极出口腔体中阳极渗透到阴极的水蒸气摩尔流量，
Figure FDA00040254805400000223
是阳极入口腔体到阳极出口腔体的水蒸气摩尔流量；Pan,ch2是阳极出口腔体的气体压力；
Figure FDA00040254805400000224
是阳极出口腔体中的氢气摩尔分数。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于：所述步骤C中，所构建的气体跨膜传输模型如下：
Figure FDA0004025480540000026
Figure FDA0004025480540000027
Figure FDA0004025480540000028
Figure FDA0004025480540000029
Figure FDA00040254805400000210
Figure FDA00040254805400000211
其中，
Figure FDA00040254805400000225
是氢气的渗透系数，
Figure FDA00040254805400000226
是氮气的渗透系数，cca是阴极水浓度，can,ch1是阳极入口腔体的水浓度，can,ch2是阳极出口腔体的水浓度，nd是电渗阻力系数，Dw是反渗系数。
4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法，其特征在于：所述步骤D中，所构建的电压模型如下：
Figure FDA0004025480540000031
Figure FDA0004025480540000032
其中，Vfc1和Vfc2是采用多点电压获取的燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压，a0是气体压力参数，Psat是大气压力，
Figure FDA0004025480540000034
是阴极侧的氧气浓度，其中
Figure FDA0004025480540000035
是由Nernst方程计算的开路电压，vact是活化电压损失，vohm是由聚合物膜对细胞的电阻造成的欧姆电压损失，vconc是反应物在反应中消耗时浓度下降造成的浓度电压损失。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法的控制策略，其特征在：
根据获取每片电池的阳极入口和出口的氢气浓度，提出氢气浓度评估指数与氢气控制策略，假设第一片电池阳极入口腔体中的氢气浓度是
Figure FDA0004025480540000036
则阳极出口腔体中的氢气浓度是
Figure FDA0004025480540000037
设第j片电池的阳极入口腔体中的氢气浓度是
Figure FDA0004025480540000038
则阳极出口腔体中的氢气浓度是
Figure FDA0004025480540000039
根据k值将燃料电池划分为四个状态，具体如下：
Figure FDA0004025480540000033
其中，N是电池的片数，如果
1＜k≤1.5，k＝1.5；
1.5＜k≤2，k＝2；
2＜k≤2.5，k＝2.5；
2.5＜k，k＝3；
其中，k＝1.5时，不需要排氢措施；当k＝2时，将排氢频率提升8％-15％；当k＝2.5时，将排氢频率提升15％-25％，并增大氢喷比例阀开度；当k＝3时，及时报警。
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