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专利号: 2018113526742
申请人: 中国计量大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-08-07
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种系统理论推导出燃料电池最大功率点的方法——一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法,其特征在于:通过改变燃料电池的操作条件,寻找出最优V-I曲线,此时欧姆段斜率最小,即总内阻最小;在最优操作条件下得到一条V-I曲线,欧姆段用V-I曲线线性拟合求最大功率点,浓差段通过公式P=UI和浓差段电压公式推导出PEMFC的最大功率点;较传统方法避免了在寻找最大功率点时出现大的偏差,也减少了对PEMFC的寿命损耗和能源损耗,具体步骤如下:步骤一:先在电堆温湿度上下限范围内,找一组温度和湿度值进行实验;改变电流密度可以得到一条V-I曲线,得到欧姆段斜率R1;选择暂定温度(或者暂定湿度),改变原有的湿度(改变原有的温度),再通过改变电流密度又可以获得一条V-I曲线,得到欧姆段斜率R2;

步骤二:通过比较R1和R2的大小,如果R1比R2大,则下一组数据继续沿着湿度增大或者减小的方向增大或减小,直到得到的欧姆段斜率不再减小;同理找到最优湿度后改变温度找到最优温度,最后就能找到最优操作条件即最优的V-I曲线;

步骤三:分两种情况求最大功率点,分别为最大功率点在欧姆段和最大功率点在浓差段;

在所得的V-I曲线中,由于中间的欧姆段偏向于一条直线,可以得到E关于I的表达式;

将其带入功率运算式子P=EI中,可计算出最大功率点I0的值,若I0在欧姆段上则所求点即为最大功率点,若I0在浓差段上,则判断出最大功率点在浓差段,需要用步骤四计算最大功率点;

步骤四:V-I曲线分为活化段、浓差段和欧姆段,其电压输出公式如下所示:

E=Eoc-(a+bln(i))-(A+ΔR0i)-meni  (1)

Eoc是燃料电池热力学电动势,其中a,b为常数,b是tafel公式的斜率,所代表的活化电压损失;A是常数,△R0是欧姆段斜率,所代表欧姆电压损失;m,n是常数根据电堆的特性求得,所代表浓差段电压损失。浓差段主要电压损耗来自于浓差电阻,所以浓差段电压公式表达了浓差电压与电流密度之间的关系,公式满足以下关系式:E=Eoc-menI  (2)

浓差段的电势为E,m和n均表示质子交换膜燃料电池反应时的质量传递系数,其数值一般由电解质的传导率和气体扩散层的孔隙决定;

通过最优V-I曲线所对应的温度和湿度,改变电流密度得到关于浓差段电压和电流密度之间的曲线,可以根据已有的电堆性能求出m和n值,以求出整个浓差段电压关系式。把浓差段电压公式代入P=EI的公式中,在求解其最大功率点时,会得到一个微分方程,解出该微分方程,并带入浓差段公式中求出E的值;

步骤五:由步骤三或者步骤四得到的一个电流密度值I0,带入欧姆段公式中或者浓差段电压公式中能求得对应的电压值,标记为E0,而I0在最优V-I曲线中对应有一个电压值,标记为E1;E0与E1之间存在一定的偏差,求出该方法求得的相对误差;

步骤六:从所得到的电流密度值I0推测出最大功率点就在I0的附近,此时再使用已有的方法比如扰动观测法这类的,可以更快且更加准确的找到最大功率点。

2.根据权利要求1所述的本发明所述的一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法,其特征在于:相较于传统寻找燃料电池输出最大功率点的方法,比如开路电压法、扰动观测法,测试周期时间长,误差较大,对燃料电池的损伤较大,使用本方法,对传统寻找燃料电池输出最大功率点的方法进行了改进,具有良好的工程应用前景。

3.根据权利要求1所述的PEMFC欧姆段和浓差段最大功率点计算,其特征在于:在定操作条件下,以建模计算方法直接找到最大功率点;相比于传统的寻找燃料电池最大功率输出点的方法,是从最优V-I曲线出发,欧姆段接近直线,比较方便求出最大功率点;浓差段根据这个浓差段电压公式能求出最大功率输出点,求出的该点理论上已经和接近实际的最大功率输出点,最后在该点的附近微调电流密度值就能得到实际的最大功率输出点。