(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211152894.7 (22)申请日 2022.09.21 (71)申请人 北方工业大 学 地址 100044 北京市石景山区晋元庄5号 (72)发明人 李建林　张则栋　梁忠豪　赵文鼎　 梁策　肖珂　 (74)专利代理 机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 1 1260 专利代理师 郑立明　陈亮 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G16C 20/10(2019.01) G06N 3/00(2006.01) G06F 17/16(2006.01) (54)发明名称 一种质子交换膜电解槽建模 优化的方法 (57)摘要 本发明公开了一种质子交换膜电解槽建模 优化的方法， 通过实验测量获得包含待建模质子 交换膜电解槽输入电压、 输入功率、 工作电流及 产氢速率的多组采样数据； 整理归纳出多组采样 数据产生影响的关键参数， 组成相应的参数矩 阵， 并采用主成分分析方法对所述参数矩阵进行 降维优化处理； 设定火烈鸟群优化算法的运行参 数； 基于火烈鸟群优化算法， 将包含工作电流的 产氢速率函数值与实际产氢速率采样数据的误 差平方和最小作为火烈鸟群优化算法的优化目 标， 输出最优模型参数矩阵。 该方法解决了质子 交换膜电解槽模 型参数众多、 获取复杂且非线性 等问题， 提升了关键参数设置合理性并降低算法 求解难度， 并提升优化算法朝全局最优解的收敛 速度。 权利要求书4页 说明书6页 附图1页 CN 115547433 A 2022.12.30 CN 115547433 A 1.一种质子交换膜电解槽建模 优化的方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 步骤1、 通过实验测量获得包含待建模质子交换膜电解槽输入电压、 输入功率、 工作电 流及产氢速率的多组采样数据； 步骤2、 根据质子交换膜电解槽内部结构及多物理场特性， 整理归纳出对步骤1所获得 的多组采样数据产生影响的关键参数， 组成相应的参数矩阵， 并采用主成分分析方法对所 述参数矩阵进行降维优化处 理； 步骤3、 设定火烈鸟群优化算法的运行参数， 并设置火烈鸟群优化算法终止准则为： 运 行代数达 到给定最大迭代数； 步骤4、 基于火烈鸟群优化算法， 将包含工作电流的产氢速率函数值与实际产氢速率采 样数据的误差平方和最小作为火烈鸟群优化 算法的优化目标， 输出最优 模型参数矩阵。 2.根据权利要求1所述质子交换膜电解槽建模优化的方法， 其特征在于， 在步骤1中， 待 建模质子交换膜电解槽的输出电化学模型由可逆过电压Erev、 动作过电压Eact、 欧姆过电压 Eohm以及扩散过电压 Ediff相关方程组成， 如下 所示： 其中， Erev,0为标准条件下的可逆过电压； R为气体常数； T为PEMEC工作温度； z为电解反 应过程中转移电子摩尔数； F为法拉第常数； 和 分别表示 氢气压强、 水压以及氧 气压强； αa和αc分别为阳极和阴极电荷转移系数； i0,a和i0,c分别为阳极和阴极的交换电流密 度； I为PEMEC工作电流； Rm为质子交换膜组件引起的电阻； A为膜电极反应面积； Rp,a和Rp,c分 别为阳极和阴极双极板电阻； Re,a和Re,c分别为阳极和阴 极多孔电极电阻； Rin,a和Rin,c分别为 两侧电极与膜界面间的电阻； 和 分别表示参考工况下膜电极表面氧气和 氢气的 平衡浓度值； 和 分别表示反应过程中膜电极表面氧气和氢气的浓度值； 其中， 标准条件下的可逆过电压 Erev,0方程如下 所示： Erev,0＝1.229‑0.9×10‑3(T‑298.0) 质子交换膜组件引起的电阻Rm随含水量和温度的函数如下 所示： 式中， σm为膜电导 率； δm为质子交换膜厚度； λ为膜湿化系数； 反应过程中膜电极表面氧气和氢气的浓度值 和 表示为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115547433 A 2式中， Pa和Pc分别为阳极、 阴极工作压力； δe,a和 δe,c分别为阳极、 阴极厚度； 和 分别 为氧气和氢气的摩尔流 量； Deff,a和Deff,c分别为多孔阳极和阴极的扩散系数； 通过整理上述表达式和参量， 得出单位时间内单一质子交换膜电解槽PEMEC产出氢气 体积表达式为： n个串联PE MEC组成的电解阵列产氢量 为： 3.根据权利要求1所述质子交换膜电解槽建模优化的方法， 其特征在于， 在步骤2中， 采 用主成分 分析方法对参数矩阵进行降维优化处 理的过程具体为： a)采集n组m种质子交换膜电解槽的运行参数， 将第j组采集数据记为列向量aj， xij表示 第j组采集样本中第i个数据， 进 而构建观测矩阵X表示 为： b)对观测矩阵X进行数据中心标准化处理以消除PEMEC参数量纲不一致而导致的数值 量级差过 大的影响， 基于各参数 标准差表述数据的分散程度， 如下 所示： 通过变换坐标系{w1,w2,w3,…,wd}生成一组新的变量， 使方差最大化， 基于标准化定理 公式得出中心标准 化的样本数据矩阵表达式： 式中， Q是观测矩阵X的样本方差矩阵平方根的逆矩阵； c)构建各变量间的协方差矩阵R， 并分析其稳定性和变量间相关性， 其中： 对角化处 理后得到投影矩阵 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115547433 A 3