一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(pemfc)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，阴极处的质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品，均有着广泛的应用空间。

2、燃料电池系统的结构一般如图1所示，燃料电池系统阳极回路主要包括比例阀、循环泵、排气阀、疏水阀等部件。进入燃料电池系统的高压氢气，经比例阀调节压力至设定的阳极回路压力值，并同循环回用的氢气混合，进入电池堆参与反应，未反应的气体带出生成物水蒸气或液态水，其中液态水经疏水阀排出阳极回路。并在电池堆的氢气入堆歧管、氢气出堆歧管、空气入堆管路设置有压力传感器p，冷却液入堆管路、冷却液出堆管路设置有温度传感器t。

3、燃料电池系统工作时，由于阴极侧空气的氮气分压远高于阳极侧，因此空气中的氮气通过质子交换膜渗透进入阳极并持续累积，因此需要定期打开设置在电池堆氢气出口管路的排气阀进行排气，以控制氮气的持续累积。累计的氮气会对燃料电池系统的运行造成潜在的不良影响：1)氮气稀释阳极氢气，导致节电压下降，降低发电效率；2)氮气含量累积过高，会增加氢气饥饿的形成风险，损伤膜电极。因此需要对阳极氮气浓度进行估算，以提高燃料电池系统的效率和耐久性。

4、公开号为cn 115472876 a的中国专利公开了基于电压变化特征的燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法，提出可通过采集电池堆电压，利用电压变化特征对阳极氮气浓度进行估计。该方法在仅改变阳极氮气浓度的情况下，通过测量不同电流密度、不同氮气浓度下电堆工作的平均电压，绘制map图。实际应用中通过获取燃料电池的电流密度和平均单片电压，绘制map图，再根据map图，估算燃料电池阳极入口氮气浓度。该方法对新电池堆具有良好的效果，然而随着电池堆的老化，电池堆性能、节电压一致性恶化，该方法的适用性会逐步变差。

技术实现思路

1、针对现有燃料电池堆阳极氮气浓度估计方法对老化电池堆的适用性较差的问题，本发明提供了一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，通过测量温度、压力等可观测参数，实现对氮气浓度的估算，避免传统基于电压表现的氮气估算算法随着电池堆老化而精度变差的问题。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，包括以下步骤：

4、步骤1、根据电池堆的阳极流场结构，计算得到流场结构参数，包括入口配气区结构参数spin、反应区结构参数spmid以及出口配气区结构参数spout；

5、步骤2、获取电池堆的氢气计量比st、入口配气区的饱和蒸汽压psat,in、反应区的饱和蒸汽压psat,mid、出口配气区的饱和蒸汽压psat,out、入口配气区的平均湿度反应区的平均湿度出口配气区的平均湿度冷却液入堆温度tin、冷却液出堆温度tout、反应区温度tmid、阳极入堆压力pin、阳极出堆压力pout以及反应区压力pmid；

6、步骤3、迭代估算燃料电池发动机阳极氮气含量，具体过程为：

7、步骤3.1、令迭代次数i＝1，第1次迭代的入堆氮气含量

8、步骤3.2、在第i次迭代中，分别计算入口配气区的混合气体粘度反应区的混合气体粘度以及出口配气区的混合气体粘度

9、步骤3.3、计算第i次迭代中阳极氮气含量的估算值公式为：

10、

11、式中，f为法拉第常数，数值为96485c/mol；i为电池堆电流；r为气体常数，单位为j/(mol·k)；

12、步骤3.4、判断是否小于预设的氮气含量估算精度∈，若是，则估算结束，得到最终的阳极氮气含量估算值否则，令β为防止算法发散的系数，并令i＝i+1，转回步骤3.2。

13、进一步地，步骤3.2中定义参数l＝1,2,3，其中，l表示区域序号，第1个区域的表示第2个区域的表示第3个区域的表示则根据wilke定律计算公式为：

14、

15、式中，n为阳极流场中通入的混合气体所含组份总数；为第l个区域中第n种组份气体的粘度；为第l个区域中第n种组份气体的摩尔含量；为第l个区域中第m种组份气体的摩尔含量；为无特殊含义的中间系数，其计算公式为：

16、

17、式中，为第l个区域中第n种组份气体的摩尔质量；为第l个区域中第m种组份气体的摩尔质量；为第l个区域中第m种组份气体的粘度。

18、进一步地，步骤3.2根据sutherland定律计算公式为：

19、

20、式中，μn,0为273.15k下第n种组份气体的粘度；t0表示273.15k；tl表示第l个区域的温度，单位为k，l＝1,2,3时分别对应tin、tmid和tout；cn为第n种组份气体的sutherland定律常数。

21、进一步地，步骤1中的流场结构参数与阳极流场的流道长度l、流道当量水力直径de、流道流通面积a，以及混合气体流过流场时的摩擦系数f、雷诺数re有关，与操作条件无关，因而为固定值。

22、进一步地，∈的取值为0.0001～0.01。

23、进一步地，β的取值为0.6～0.99。

24、本发明的有益效果为：

25、本发明提出了一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，通过测量温度、压力等可观测参数，计算得到阳极流场结构中入口配气区、反应区和出口配气区的混合气体粘度，进而实现阳极氮气含量的准确估算，以提高燃料电池发动机的效率以及耐久性；本发明无关电池堆的新旧程度，可以避免传统基于电压表现的氮气估算算法随着电池堆老化而精度变差的问题。

技术特征：

1.一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，其特征在于，步骤3.2中定义参数l＝1,2,3，其中，l表示区域序号，表示表示表示则根据wilke定律计算公式为：

3.根据权利要求2所述燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，其特征在于，步骤3.2根据sutherland定律计算公式为：

4.根据权利要求1～3任一项所述燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，其特征在于，∈的取值为0.0001～0.01。

5.根据权利要求1～3任一项所述燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，其特征在于，β的取值为0.6～0.99。

技术总结本发明公开了一种燃料电池发动机阳极氮气含量估算方法，属于燃料电池技术领域，具体根据电池堆的阳极流场结构，计算得到入口配气区、反应区和出口配气区的结构参数；获取电池堆的氢气计量比、氢气湿度、冷却液入堆温度、冷却液出堆温度、阳极入堆压力以及阳极出堆压力；通过计算入口配气区、反应区和出口配气区的混合气体粘度，迭代估算燃料电池发动机阳极氮气含量，使其满足预设的氮气含量估算精度。本发明可以实现阳极氮气含量的准确估算，以提高燃料电池发动机的效率以及耐久性，无关电池堆的新旧程度，可以避免传统基于电压表现的氮气估算算法随着电池堆老化而精度变差的问题。技术研发人员：杨海玉,殷聪,郭文军,金继麒,汤浩受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2