发明授权：一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法

1.一种水冷型燃料电池温度优化与控制方法,其特征在于：通过机理建模得到燃料电池总内阻与温度模型,以总内阻最小为寻优原则,仿真得出不同电流密度下对应的最佳温度；再建立电池温度与控制变量的热管理模型,根据最优温度与当前温度的偏差,计算出控制变量的调节大小,作用于相关控制装置对温度进行实时的调节,具体步骤如下：步骤一：燃料电池输出性能损耗的根本原因是活化内阻Rf、欧姆内阻Rm、浓差内阻Rd的存在,堆内温度通过影响电化学反应和传质传热过程直接影响各段内阻；根据等效电路模型,建立电池总内阻与温度模型如下： 其中Rstack为电池总内阻；R为理想气体常数,8.316；α为电化学反应速度参数；n为氢气反应转移的电子数,n＝2；F为法拉第常数,96485.3；Tstack为电堆温度,K；T0为环境温度,K；tm为质子交换膜厚度,μm；β为电导率系数,kg；τ为电化学反应转移粒子摩尔数,mol；δ为扩散层厚度,μm；S为催化层面积,cm2；Cg为反应物总浓度,mol/L；Deff为水迁移系数,J/(K·mol)；N为单片电池数；λ为膜水活性；步骤二：电池运行过程中会伴随着热量的生成与散失,堆内热量变化的主要原因有：电化学反应生成的热量ΔQ1、冷却水带走的热量ΔQ2、尾气排放带走的热量ΔQ3； 基于能量守恒定律,建立热管理模型如下： 式中：t为采样时间；tP为尾气排放间隔时间；t’为尾气排放时间；qf为冷却水流量,kg/min；ΔT为堆内温度变化值,K；为环温饱和蒸汽密度,kg/m3；堆内饱和蒸汽密度,kg/m3；va、vc为阴、阳极进气流量,L/min；Cair,c、Cstack分别为水蒸气、氢气、空气、电堆比热容,kJ/kg·℃；RHa,in、RHc,in分别为氢气和空气进气加湿度；Te为环境温度,K；为汽化水质量；r为水蒸气汽潜热,40.2kJ/mol；k为换热效率；步骤三：对模型(1)进行仿真,以总内阻Rstack最小为寻优原则,确定活化段、欧姆段、浓差段电池工作的最佳温度；再基于实验在仿真得出的最优温度小区间内再次进行寻优,确定精确的最优温度大小；并根据实验数据,对模型(1)、(2)中的可变参数进行优化,提升模型精度；步骤四：基于上述结论,阻抗测试仪依次向电堆发射高频到低频小幅振荡的交流电信号,根据响应信号计算出当前电流下的段内阻Rf、Rm、Rd与总内阻Rstack,将信号发送给信号处理器,信号处理器基于模型(1)计算出当前电流下的堆内温度Tstack,并与最优温度值T优对比产生偏差信号ΔT传输给温度控制器；温度控制器根据模型(2)计算出主控变量qf的调节大小,过程中考虑辅控变量tP、t’对温度影响较小,先将其设为常规定值,待qf调节完毕后进行温度的微调即可。