一种燃料电池系统供气参数动态智能调整方法及调整系统与流程

本发明涉及涉及燃料电池系统控制，具体涉及一种燃料电池系统在额定功率运行过程中，通过动态智能调整阴极与阳极供气计量比，以在线修复可逆性性能衰减、保证功率输出稳定并兼顾系统净输出功率最优的方法、系统、燃料电池系统及存储介质。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池（pemfc）是一种将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、噪音低等优点，被广泛应用于交通运输、固定式发电、便携式电源等领域。

2、燃料电池系统在实际运行过程中，电堆的性能会随着运行时间的增加而逐渐衰减。导致性能衰减的主要原因包括：催化剂铂的溶解与团聚、质子交换膜的降解、碳载体的腐蚀、气体扩散层的憎水性下降、以及电堆内部水淹或膜干等。其中，因反应气体计量比不足导致的局部缺氧/缺氢、以及因水管理失衡引起的水淹或膜干，是额定功率运行阶段造成电压下降、功率输出不稳定的常见且可逆的衰减因素。

3、现有技术中，燃料电池系统的阴极和阳极计量比通常在系统设计阶段根据额定工况设定为固定值，或仅根据负载电流进行开环映射调整。这种控制方式存在以下不足：其一，固定计量比无法适应电堆性能随运行时间衰减后的实际气体需求变化，当电堆因催化剂老化、传质阻力增大而需要更多反应气体时，固定计量比会导致供气不足，进一步加剧性能衰减；其二，当电堆出现轻度水淹或膜干等可逆性衰减时，现有技术无法通过主动调整计量比进行在线修复，吹扫程序往往是固定频率、固定时间的设置，无法根据电堆内部的实际状态进行主动干预，且影响系统的可用性和输出稳定性；其三，现有技术缺乏对调整后外部功耗（如空压机功耗、氢气循环泵功耗）与功率恢复收益之间的综合权衡，可能出现为恢复功率而过度增大计量比、导致系统净输出功率反而下降的问题。

4、因此，亟需一种能够在燃料电池系统额定功率运行过程中，实时监测电堆性能状态，并通过动态智能调整阴极与阳极计量比来在线修复可逆性性能衰减、同时兼顾系统净输出功率最优的控制方法及系统。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是如何在燃料电池系统额定功率运行过程中，依据电堆实际性能衰减状态动态调整阴极与阳极计量比，在修复性能、保证功率输出稳定的同时，兼顾系统净输出效率并延长电堆寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种燃料电池系统供气参数动态智能调整方法，应用于燃料电池系统以额定功率运行的过程中，包括以下步骤：

3、s1：获取所述燃料电池系统的运行状态数据，所述运行状态数据至少包括电性能参数；

4、s2：基于所述运行状态数据与预设基准的比较，判断所述燃料电池系统是否存在性能衰减；

5、s3：当判定存在性能衰减时，执行分级调整策略：先调整阴极供气回路的供气参数，若调整后所述电性能参数恢复至预期范围，则确定当前供气参数为运行参数，结束本次调整；若调整阴极供气回路后所述电性能参数未恢复至预期范围，则进一步调整阳极供气回路的供气参数；

6、s4：若调整阳极供气回路后所述电性能参数恢复至预期范围，则确定当前供气参数为运行参数，结束本次调整；若仍未恢复，则执行保护策略。

7、调整方法建立了分级诊断和分级修复的策略：第一级调整针对最常见的性能衰减原因，如阴极侧氧饥饿或水淹，第二级调整针对第一级无法解决的剩余问题，如阳极侧缺氢或膜干，两级调整均无效时判定为不可逆衰减并转入保护模式。该分级策略使得电堆能够在出现可逆性衰减时被及时纠正，避免了长期在欠气或水管理失衡状态下运行，从而延长电堆寿命。

8、在本发明一个较佳实施例中，所述运行状态数据还包括排水量数据，用于辅助判断电堆内部的水管理状态，所述排水量数据包括阴极排水量数据、阳极排水量数据中的至少一种。

9、在本发明一个较佳实施例中，当所述排水量数据异常增大且伴随所述电性能参数下降时，判定为水淹风险，调整阴极供气回路的供气参数；当所述排水量数据异常减小且伴随所述电性能参数下降时，判定为膜干风险，调整阳极供气回路的供气参数。水淹时优先调整阴极侧以加强吹扫排水，膜干时优先调整阳极侧以加强阳极侧加湿。

10、在本发明一个较佳实施例中，所述阴极供气回路的供气参数为阴极计量比；所述阳极供气回路的供气参数为阳极计量比。

11、在本发明一个较佳实施例中，为了使调整效果与系统稳定性之间平衡，所述阴极计量比的增大幅度为10%至50%，和/或所述阳极计量比的增大幅度为10%至50%。所述供气参数的调整采用步进式调整方式：以每步5%至10%的步长阶梯式增大，每步维持运行10至120秒，直至所述电性能参数恢复或累计增大幅度达到50%。

12、在本发明一个较佳实施例中，为了避免为恢复功率而过度增大计量比导致辅机功耗剧增、系统净效率反而下降的问题，实现性能恢复与系统效率的综合最优。所述确定当前供气参数为运行参数，包括：获取功率恢复后各候选供气参数对应的外部功耗，所述外部功耗为空压机、氢气循环泵和水泵中的至少一种辅机的寄生功耗；计算各候选供气参数对应的系统净功率，所述系统净功率为电堆输出功率减去所述外部功耗；选择所述系统净功率最大的候选供气参数作为运行参数。

13、在本发明一个较佳实施例中，所述预设基准为预存的原始电流-电压功率曲线。所述判断是否存在性能衰减，包括：在相同电流条件下，将当前采集的电压与所述原始电流-电压功率曲线中对应电流点的电压进行比较，计算电压衰减量；当所述电压衰减量超过第一预设阈值，或功率衰减量超过第二预设阈值时，判定存在性能衰减。该判断标准直观可靠，原始曲线作为基准反映了电堆的健康初始状态，电压或功率的偏离程度直接量化了性能衰减的程度。

14、在本发明一个较佳实施例中，所述执行保护策略，包括：将所述燃料电池电堆的目标运行功率降低至额定功率的60%至90%限功率运行，并发出维护警报。具体地，所述维护警报用于提示检查电堆膜电极状态与流场水淹状态。该保护策略在确保系统安全的前提下保留了部分输出能力，避免了突然停机造成的安全风险。

15、在本发明一个较佳实施例中，确定运行参数、结束本次调整之后，还包括：s5：以所述运行参数运行，并基于运行数据更新所述预设基准，返回步骤s1循环执行。该闭环机制使预设基准能够跟随电堆的老化进程自适应调整，实现了全生命周期的动态智能调控，避免了模型固化导致的判断偏差。

16、为解决上述技术问题，本发明还提供一种燃料电池系统供气参数动态智能调整系统，包括：数据采集模块、衰减判断模块、分级调整模块、恢复判断模块、参数确定模块和保护模块。该系统模块架构与上述方法步骤一一对应，将方法逻辑固化为可执行的软硬件系统。其中，所述参数确定模块包括净功率计算单元，用于获取各候选供气参数对应的外部功耗，计算系统净功率，并选择系统净功率最大的候选供气参数作为运行参数。

17、本发明还提供一种包含处理器和存储器的燃料电池系统，以及一种计算机可读存储介质，二者均存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

18、本发明的有益效果是：本发明在额定功率运行过程中实时监测电堆性能衰减，通过分级增大阴极供气回路和阳极供气回路的供气参数，能够在线修复因供气不足、轻度水淹或膜干等可逆因素导致的性能衰减，无需停机维护，显著提高了系统的可用性和运行连续性。

19、本发明采用先调整阴极供气回路、后调整阳极供气回路的分级调整策略，调整逻辑清晰，避免了多回路同时调整导致的耦合干扰和故障定位困难。

20、当两级调整均无法恢复性能时，本发明判定为不可逆性衰减并主动执行保护策略，避免了电堆在严重衰减状态下强行满功率运行导致的进一步损伤，提高了系统的安全性和可靠性。