质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)的控制策略综述.pdf

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1、第4期刘旭等.质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)的控制策略综述439质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)的控制策略综述刘旭白焰刘鹤(华北电力大学,北京102206)摘要对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统进行了简单的介绍和控制特点分析。并对其控制策略进行了综述,分析和比较了包括常规PID控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制以及在此基础上的多种复合控制策略,最后结合国内外至今的相关研究成果,展望了质子交换膜燃料电池系统控制策略的研究方向和发展前景。关键词质子交换膜燃料电池(PEMFC)控制综述中图分类号

2、TQl52文献标识码A文章编号1000—3932(2012)04..0439-05随着我国经济的发展,环境污染和能源危机问题越来越受到重视,迫切需要一种无污染或零排放的新型能源,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其能鼍密度高、操作温度低、启动速度快及工作寿命长等优点,特别适合于作为移动电源,具有巨大的应用前景。笔者以指导燃料电池系统优化控制策略为目的,综述了质子交换膜燃料电池系统的控制方法。1PEMFC系统介绍1.1基本原理PEMFC实质上是一种特殊的电化学反应过程,其电极反应式如下:阳极H,.---d2H

3、++2e空气一级减压阀电磁阀调压阀阴极÷02+2H++2e#三H20‘1.2系统结构PEMFC单体发电功率由其有效工作面积决定,一般电压为1V左右。因此,实际使用时,往往根据负载对功率和电压的要求,需要将多个单电池串联组成电堆。只有在一定的工作条件下,PEMFC电堆才会稳定可靠地产生直流电。一个完整的PEMFC发电系统除了需要电堆,还要有一定的外围辅助系统和控制系统来保证系统的正常工作。图1所示的是一个典型的PEMFC发电系统结构,系统主要包括电堆、氢气供给、空气供给、冷却水循环系统、控制单元及负载等。辅助

4、[控机(温度、压力、湿度)增湿器1增湿器2调压阀旁路阀DC/ACH负载PEMFC电堆风扇“零蚕零一;H堡垫坐塑卜L—弋辽y循森j基散热器图1典型的PEMFC系统结构简图空气排放阀氢气排放阀收稿日期:2012-01-30(修改稿)化工自动化及仪表第39卷2质子交换膜燃料电池(PEMFC)的控制分析PEMFC的控制属于复杂工业过程控制,具有多输入多输出的强非线性、时变性、分布参数特性和强耦合性、大滞后性和约束性、不确定性和随机干扰等特点。电堆工作温度、压力,反应气体的流量、湿度以及尾气排放流量等主要运行参数会对

5、电池的性能产生极大的影响。2.1温度控制特性分析PEMFC内部正常温度应维持在65~85℃,电池工作温度升高,一方面会加速反应速度,降低极化电压;另一方面会增加质子交换膜的电导率,减少膜的欧姆极化,从而提高转换效率。但是一般运行温度不宜超过100。C,温度过高将会加速膜中水分的流失,导致水蒸气分压加大,严重时甚至引发膜收缩破裂。相反,电池内部温度过低时,反应生成的水不能以气态方式排出,容易引发“电极淹没”现象;过低温度还会引起电堆内传质受限和电化学反应速度降低,从而造成电池性能下降。影响PEMFC内电堆温度

6、的因素主要包括两个部分:一部分是电堆内部电化学反应产生的热量,主要有电化学反应热、活化极化热及欧姆极化热等;另一部分是系统对PEMFC电堆温度的影响,主要有反应气体进口流量和温度、冷却水流量和温度、反应产物流量及排放温度等因素。此外,环境温度和电堆负载也会对PEMFC电堆温度有一定的影响。基于以上特点,温度控制可以根据电堆对温度的要求,控制冷却水循环速度、散热风扇转速、反应气体进口温度和流量,使反应温度处于最佳状态。同时,还要控制电堆压力及湿度等影响因素,实现最佳的温度控制。2.2压力控制特性分析当其他运行

7、条件不变时,增大压力可以提高燃料电池的输出性能。从热力学角度分析,提高反应气体压力有利于增大电池可逆电势,改善电池性能;从动力学角度分析,增大气体压力还有利于提高交换电流密度,降低活化过电位;从扩散的角度分析,压力的提高有利于加快反应气体的传质速度,减小传质过电位。反应气体压力的增加,意味着催化层内反应物浓度的增大,有利于电极反应的进行。但是,提高反应气体压力,不仅会加大电池密封难度,而且会增加空压机的功耗,这可能影响燃料电池发电系统的效率,所以系统压力也不宜过高,一般控制在0.2—0.3MPa。根据燃料电

8、池的工作特性,为了保持质子交换膜一定的湿度以及生成水的排放,要求在电堆的压力控制时阴极压力比阳极压力略高;为了质子交换膜的安全,要求调节两极压力时要同升降。3PEMFC系统的控制策略3.1PID控制PEMFC系统主要是一个反馈控制系统,因此对系统的氢气流量、空气流量、阴极压力、湿度及输出电流等可以采用最常用的PID算法控制策略。LeeHI等研制了一台1kW的PEM燃料电池,经由DC/AC逆变器输出220V的电力。

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