基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法

1.本发明属于燃料电池系统技术领域，尤其涉及基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法。


背景技术：

2.燃料电池作为一种清洁环保的发电装置，可通过氧化还原反应直接将化学能转化为电能，因此不受卡诺循环的限制，表现出高的能源转化效率。此外，燃料电池有着十分广阔的应用前景，并且也是应对当前的能源危机和环境保护的重要技术路线，可应用于分布式发电、移动电源、船舶、汽车、机车等领域。随着燃料电池技术日益成熟以及各国在低碳环保政策的倡导下，氢燃料电池汽车逐渐兴起。与锂电池相比，燃料电池加氢时间短，方便用户使用，更容易在大范围的前提下实现加氢站。燃料电池汽车具有无需定期充电、行驶里程长、能量转化率高等优点。
3.燃料电池作为新能源技术领域的热点，其性能研究、控制策略设计与应用对提高燃料电池性能和降低燃料电池生产成本具有重大意义。然而，目前燃料电池在运行过程中燃料电池内部很多关键参数没法直接通过传感器获得，在一定程度的限制了燃料电池的应用。
4.目前，商用燃料电池工作一般采用氢气循环模式，在这种工作模式下，会产生阴极空气中的氮气透过质子交换膜扩散到阳极，而从阴极穿越过来的氮气会在阳极腔体内不断积累的现象。在不增加额外的设备的条件下，无法实现阳极氮气浓度的准确和在线观测，因而无法实现有效的净化。然而目前已有研究中，实现阳极氮气浓度的观测需要复杂的设备和控制，没有提出一种简单的方法来实现阳极氮气浓度的估算。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法。
6.本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法，包括以下步骤：
7.在仅将阳极氮气浓度作为唯一变量的情况下，测量电堆工作的平均电压，改变电堆电流密度后重复上述步骤，通过数据处理得到不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系；
8.根据不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系，绘制燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图；
9.将燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图预置于控制器中；
10.通过控制器获取燃料电池的电流密度和平均单片电压，以一段时间内出现频率最高的电流密度、平均单片电压变化趋势和燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图为依据，估算燃料电池阳极入口氮气浓度；
11.将估算的燃料电池阳极入口氮气浓度作为阳极吹扫的依据。
12.进一步的，在仅将阳极氮气浓度作为唯一变量的情况下，测量电堆工作的平均电压这一步骤，流程如下：
13.保持电堆的阴阳极气体过量比、入口压力、增湿器温度、冷却水入堆温度等工作参数不变，改变并记录阳极入口氮气浓度的变化情况，同时测量并记录燃料电池平均单片电压的变化情况。
14.进一步的，得到燃料电池堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系的数据处理方法为：
15.以平均单片电压为横坐标，以阳极入口氮气浓度为纵坐标，通过数据拟合的方法(如多项式拟合的方法)，得到不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系。
16.进一步的，所述燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图的绘制方法如下：
17.根据不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系，将电流密度相同的点以平均单片电压为横坐标，阳极入口氮气浓度为纵坐标连成一环线直接投影到平面形成水平曲线，获得燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图。
18.进一步的，所述燃料电池的平均单片电压由电压传感器获取电堆电压后经过处理所得。
19.所述平均单片电压的具体计算公式为：
20.ua＝u/n；其中，u为电压传感器采集的电堆电压，n为燃料电池的单电池片数。
21.进一步的，所述估算燃料电池阳极入口氮气浓度的方法具体处理方法为：
22.选择指定时间(建议时间为5-15min)内出现频率最高的电流密度，对阳极入口氮气浓度变化特征map图使用二维差值方法(如线性插值算法)得到出现频率最高的电流密度下阳极入口氮气浓度与平均单片电压的关系，之后根据该电流密度下的平均单片电压变化趋势和阳极入口氮气浓度与平均单片电压的关系估算阳极入口处的氮气浓度的变化趋势。
23.进一步的，所述将估算的燃料电池阳极入口氮气浓度作为阳极吹扫的依据的具体处理方法为：
24.将燃料电池阳极入口氮气浓度的预测值作为触发阳极吹扫操作的条件，当燃料电池阳极入口氮气浓度的预测值达到设置的吹扫触发值(建议吹扫触发值为15％到20％)时，进行一次阳极吹扫工作。
25.与现有技术相比，本发明基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法的有益效果是：本发明的基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法，通过实验和数据分析的方法，提出基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法,根据电堆电压变化特征估算出燃料电池阳极侧的氮气浓度。而传统燃料电池阳极氮气浓度预测方法需要复杂的控制算法或额外的设备,需要消耗额外的资源。本发明大大简化了氮气浓度的预测过程,节省了资源,也为燃料电池的吹扫控制提供了依据。
附图说明
26.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明实施例一的基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法流程示意图；
28.图2为本发明实施例一的不同电流密度下燃料电池堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系图；
29.图3为本发明实施例一的阳极入口氮气浓度变化特征map图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
31.本发明提供基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法，包括以下步骤：
32.在仅将阳极氮气浓度作为唯一变量的情况下，测量电堆工作的平均电压，改变电堆电流密度后重复上述步骤，通过数据处理得到不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系；
33.所述在仅将阳极氮气浓度作为唯一变量的情况下，测量电堆工作的平均电压这一步骤，流程如下：
34.保持电堆的阴阳极气体过量比、入口压力、增湿器温度、冷却水入堆温度等工作参数不变，改变并记录阳极入口氮气浓度的变化情况，同时测量并记录燃料电池平均单片电压的变化情况；
35.所述得到燃料电池堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系的数据处理方法为：
36.以平均单片电压为横坐标，以阳极入口氮气浓度为纵坐标，通过数据拟合的方法(如多项式拟合的方法)，得到不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系。
37.根据不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系，绘制燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图；
38.所述燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图的绘制方法如下：
39.根据不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系，将电流密度相同的点以平均单片电压为横坐标，阳极入口氮气浓度为纵坐标连成一环线直接投影到平面形成水平曲线，获得燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图。
40.将燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图预置于控制器中；
41.通过控制器获取燃料电池的电流密度和平均单片电压，以一段时间内出现频率最高的电流密度、平均单片电压变化趋势和燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图为依据，估算燃料电池阳极入口氮气浓度；
42.所述燃料电池的平均单片电压由电压传感器获取电堆电压后经过处理所得。所述平均单片电压的具体计算公式为：
43.ua＝u/n；其中，u为电压传感器采集的电堆电压，n为燃料电池的单电池片数。
44.所述估算燃料电池阳极入口氮气浓度的方法具体处理方法为：
45.选择指定时间(建议时间为5-15min)内出现频率最高的电流密度，对阳极入口氮
气浓度变化特征map图使用二维差值方法(如线性插值算法)得到出现频率最高的电流密度下阳极入口氮气浓度与平均单片电压的关系，之后根据该电流密度下的平均单片电压变化趋势和阳极入口氮气浓度与平均单片电压的关系估算阳极入口处的氮气浓度的变化趋势。
46.将估算的燃料电池阳极入口氮气浓度作为阳极吹扫的依据。
47.所述将估算的燃料电池阳极入口氮气浓度作为阳极吹扫的依据的具体处理方法为：
48.将燃料电池阳极入口氮气浓度的预测值作为触发阳极吹扫操作的条件，当燃料电池阳极入口氮气浓度的预测值达到设置的吹扫触发值(建议吹扫触发值为15％到20％)时，进行一次阳极吹扫工作。
49.实施例一
50.如图1所示，本实施例中提供基于电压变化特征的电堆阳极氮气浓度估计方法。本实施例中的基于电压变化特征的电堆阳极氮气浓度估计方法包括以下步骤：
51.在仅将阳极氮气浓度作为唯一变量的情况下，测量电堆工作的平均电压，改变电堆电流密度后重复上述步骤，通过数据处理得到不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系；
52.所述不同电流密度下燃料电池堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系图如图2所示；
53.根据不同电流密度下电堆的平均单片电压与阳极入口氮气浓度的关系，绘制燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图；
54.所述燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图如图3所示；
55.将燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图预置于控制器中；
56.通过控制器获取燃料电池的电流密度和平均单片电压，以一段时间内出现频率最高的电流密度、平均单片电压变化趋势和燃料电池阳极入口氮气浓度变化特征map图为依据，估算燃料电池阳极入口氮气浓度；
57.将估算的燃料电池阳极入口氮气浓度作为阳极吹扫的依据。
58.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。