[发明专利]一种燃料电池最优功率点计算方法

摘要

一种燃料电池最优功率点计算方法，包括：本发明是在操作条件确定的情况下，计算出当前操作条件下电堆各段的阻值，并在电流密度变化的过程中得到总内阻最小时的电流密度，再结合内阻模型与电压输出特性模型计算出最小电阻对应的输出电压，最后通过电流和电压可以计算出最优功率点。相较于最大功率点计算与跟踪方法，最优功率点计算方法简单准确，并且最大功率点仅考虑了电堆能够输出的最大功率，并未对实际情况下的操作条件进行限定，而最优功率点是基于以“总内阻最小”为约束条件进而求得的，该最优功率点可以很好地描述出电堆在当前工况下达到的一个最优输出性能，具有良好的工程应用前景。

主权项

1.一种燃料电池最优功率点计算方法的特征在于：本发明从“总内阻最小”的角度出发，提出一种新的最优功率点计算方法；首先，燃料电池极化现象划分为活化、欧姆、浓差三部分，即对应着三部分内阻，以燃料电池堆电压—电流输出特性模型和内阻—操作条件模型为基础，推导出燃料电池的输出电压V_stack以及电堆总内阻R_stack的表达式，在操作条件恒定的条件下，由R_stack的表达式可得到整体的R_stack‑i曲线，R_stack‑i曲线在变化过程中存在最小极值点，进而求出与其对应的电流密度io_pp，再利用io_pp和R_stack可以求得对应的V_stack，最后由功率的计算公式即可求得最优功率，相比于最大功率点，最优功率点在燃料电池实际工作中输出性能更优，更加具有实际应用意义，最优功率点具体计算步骤如下：步骤一：燃料电池实际工作中，由于极化现象的存在，燃料电池电化学反应必须会消耗自身的能量去克服反应中的阻力，因此燃料电池堆实际输出电压要小于理想电动势，燃料电池的实际输出电压如(1)所示：V_cell＝E_nernst‑η_act‑η_ohm‑η_con   (1)式中，E_nernst为Nernst电动势；再根据极化现象产生的原理，分别推算出活化极化损失η_act、欧姆极化损失ηo_hm和浓差极化损失η_co_n，得到燃料电池的输出电压—电流输出特性模型表达式：V_stack＝E_nernst‑[a+blni+i·R_m+mexp(n·i)]   (2)式中，a＝‑RT_stackln(i₀)/αnF，b＝RT_stack/αnF，i为电流密度，Acm^‑2，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，其数值主要由电解质的传导率和气体扩散层的孔隙率决定，一般情况下，n＝8；其中的m值受燃料电池工作温度的影响而有如式(3)所示的关系式：步骤二：电堆总内阻(R_stack)主要由活化内阻(R_f)、欧姆内阻(R_m)以及浓差内阻(R_d)三部分组成，得到电堆总内阻(R_stack)与操作条件表达式为：式中，α为电化学反应速率；n为电化学反应转移的电子数，n＝2；F为法拉第常数，96485C/mol；R为理想气体常数，R＝8.314J/(mol·K)；t_m为质子交换膜的厚度，t_m＝51μm；λ为质子交换膜的含水量，δ为扩散层厚度，um；S为电化学反应面积，cm²；C_g为反应物总浓度，g/mol；D_eff为水迁移系数；并且通过式(4)得知，当电堆的温湿度操作条件确定时，电堆总内阻(R_stack)只与电流密度(i)相关；步骤三：当电堆操作条件保持不变，通过燃料电池的输出电压V_stack的表达式可以得到电堆外部输出的V‑i特性曲线，再结合内阻与操作条件模型准确得到与之相对应的R_stack‑i变化曲线；对得到的R_stack–i关系式求导，可求出“电堆总内阻最小”处对应的电流密度值i_opp，即：式中，β为电导率系数，β≈6；然后将其代入式(2)中可以进一步计算出与之对应的电压值V_stack，二者的乘积结果即为当前工况下存在的唯一最优功率点P_opp。