[发明专利]一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、启动质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池电堆(1)及均与其连通的空气供给回路子系统(2)和氢气供给回路子系统(3)；

S2、建立燃料电池电堆(1)的开路电压模型、活化极化电压模型、欧姆极化电压模型、浓差极化电压模型、以及压降模型，并得出燃料电池电堆(1)的输出电压公式；

S3、通过热平衡处理操作建立质子交换膜燃料电池系统的热平衡模型和热平衡公式；

S4、建立加湿器(23)、冷凝器(24)和燃料电池电堆(1)的阴极流场和阳极流场的组分压力模型；

S5、建立空压机(22)气体压力和温度动态模型，并进行修正操作；

S6、建立氢气回流泵(34)模型；

S7、建立质子交换膜燃料电池系统阳极回路尾排的排氢阀(35)控制模型；

在步骤S2中的所述输出电压公式为：

U_stack＝N_cell(E_Nernst-V_act-V_ohm-V_conc-V_loss)；

在步骤S3中的所述热平衡公式为：

其中：m_stack为燃料电池电堆的质量，C_p为空气比热容；

在步骤S3中的所述热平衡处理操作包括以下步骤：

A1、通过电功率损失公式计算出燃料电池电堆(1)的电功率损失；

A2、通过热交换散失功率公式计算出燃料电池电堆(1)阴极流场与外界环境热交换散失的功率；

A3、通过冷却回路水分散失热量公式计算出燃料电池电堆(1)冷却回路水分带走的热量；

在步骤A1中的所述电功率损失公式为：

P_loss＝(1.25·N_cell-U_stack)I_stack，

其中，N_cell为电堆单体的数目，I_stack为电堆电流；

在步骤A2中的所述热交换散失功率公式为：

dh_cathode＝hectExchange_coefficient·exchangeArea·(T_cathode-T_stack)，

其中，T_cathode为阴极流场温度，T_stack为燃料电池电堆温度，heatExchange_coefficient为气体与电堆的热交换系数，exchangeArea为散热面积；

在步骤A3中的所述冷却回路水分散失热量公式为：dh_water＝Cool_coefficient·coolArea·(T_water-T_stack)，其中，T_water为冷却水温度，Cool_coefficient为冷却水的热交换系数，coolArea为冷却水的冷却面积；

在步骤S4中，在建立加湿器、冷凝器和燃料电池电堆的阴极流场和阳极流场的内反应气体变化过程组分压力模型，燃料电池电堆系统在工作时，混合气体的组分和压力在供给回路的过程中不断时刻发生变化，各中组分气体的流量为：其中：dm[j]为各组分气体的质量流量，M[j]为各组分气体的摩尔质量，X_i[j]为混合气体各组分摩尔分数，其计算方程为：其中：为当前流道内总的气体流量，

加湿器、冷凝器和燃料电池电堆的阴极流场和阳极流场内温度和压力的计算方程式根据混合气体组分的质量守恒和能量守恒为：

其中：V为容器的容积；

各偏导数推算结果如下：

其中：h为比焓，单位kg/s；为热交换功率；

容腔的压力和温度计算方程为：

加湿器的水蒸气需求流量，根据当前混合气体的湿度，通过PID控制注入加湿器合适的水分，以保证腔体内混合气体的相对湿度达到目标的气体相对湿度；气体的饱和蒸气压为：

气体相对湿度为：需求的水蒸气流量为：其中：为目标湿度；

在步骤S5中，建立空压机气体压力和温度动态模型，对空压机的质量流量信号和转速进行修正：空压机的上流与下流的压力比为：则空压机气体的出口温度为：其中：η为空压机的效率；λ为空气比热容比，λ＝1.4；空压机中电机转矩方程为：其中：h＝f(T)＝c_p·T+h₀，h为比焓，h_o＝0。