空冷自增湿燃料电池最优控制方法研究.doc

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1、空冷自增湿燃料电池最优控制方法研究摘要：通过对影响质子交换膜燃料电池（PEMFC）输出性能因素的分析，得出PEMFC电堆工作温度、电堆输出电流是影响PEMFC输出性能的主要因素。在输出电流一定的情况下，电堆工作温度是影响PEMFC输出电压的主要因素。为实现对空冷自增湿PEMFC的最优控制，采用实验测试及数据拟合方法，得到PEMFC电堆最优温度与输出电流的函数关系式，通过控制PEMFC电堆工作在最优温度，以实现PEMFC输出电压的最优控制。实验测试表明，该控制方法简单实用、控制效果优越，可为空冷自增湿PEMFC的最优控制提供具有实用价值的控制方法。引言质子交换膜燃料电池（proton excha

2、nge membrane fuel cell，PEMFC）是一种非线性、强耦合、高效率的电化学能量转换装置，其运行过程涉及气、液、固三相混合的电化学动态变化过程。由于具有运行温度低、功率密度高、启动快、稳定性好、零污染等特点，质子交换膜燃料电池成为解决环境和能源枯竭问题的首选新能源，处于商业应用的最前沿，在移动电源、交通、军事、航空等领域得到广泛应用研究13。PEMFC根据冷却方式的不同，可分为空气冷却和循环水冷却2种类型。空冷自增湿PEMFC属于空气冷却型，除具有水冷PEMFC的优点外，还自带增湿，具有结构简单、自身功耗低、工作温度低等优点。空冷自增湿PEMFC构成的电源系统结构如图1所示。

3、电堆反应所需的O2通过冷却风扇为电堆供给，同时排出电堆反应产生的热量，使电堆达到某一热平衡；反应所需的H2通过PEMFC阳极入口进入，流进内部流场参与电堆化学反应；反应后的不纯氢气及水经出口排除，以控制电堆内部质子交换膜的含水量，防止水淹。从图1可知，空冷自增湿PEMFC运行时，能参与控制的仅有冷却风扇及尾气排气阀。调整冷却风扇转速将为电堆提供充足的O2，避免电堆氧饥饿，同时排出电堆产生的多余热量，使电堆质子交换膜处于某一工作温度，进而影响电堆的化学反应活性；调整电堆尾气排气周期及间隔，将排除堆内不纯H2及反应产生的水，以改变质子交换膜的含水量，进而影响电堆工作温度及化学反应活性。因此，有必要

4、研究空冷自增湿PEMFC的最优控制方法，通过对冷却风扇、尾气排气进行合理、有效控制，以提高电堆的输出性能4，延长电堆的使用寿命。1 PEMFC性能影响分析2 PEMFC最优控制方法根据PEMFC极化曲线可知，PEMFC输出电流与输出电压一一对应，要使PEMFC输出最优，也即使输出功率最大，因此在当前输出电流下，只需保证PEMFC输出电压最高即可实现PEMFC输出功率最大，性能最优。从式（13）可知，在PEMFC输出电流Istack一定的条件下，电堆工作温度Tstack是影响电堆输出电压的主要因素。在某一PEMFC输出电流Istack下，必然存在一个电堆工作温度Tstack，使PEMFC输出电压

5、Vcell最高，输出功率最大，可将该工作温度称为电堆最优工作温度Topt。这样便将PEMFC最优控制转化为电堆工作温度的最优控制，因此通过PEMFC工作温度控制，可间接实现PEMFC最优控制。2.1输出性能测试文献11通过实验测试表明，在某一固定输出电流下电堆输出电压先随温度的升高而逐渐上升，当电堆温度达到一定值后，输出电压随温度的升高而急剧下降。文献1214通过实验揭示了电堆存在最佳工作温度特性，当电堆工作在最佳温度特性范围内时，其输出电压最高，性能最佳。为实现PEMFC的最优温度控制，需先获取PEMFC的最优参考温度参数，而PEMFC使用手册并未提供电堆的最优温度关系式。因此需对被控PEM

6、FC进行测试，以获取PEMFC的最优工作温度。以Ballard公司的2kW空冷自增湿PEMFC为研究对象，利用空冷自增湿PEMFC测试平台，测试电堆在给定输出电流下输出电压随电堆温度变化的响应曲线，以验证函数关系式（13）的正确性。电堆由56片单电池组成，额定功率为2kW，输出电流范围为075A，最高工作温度为75，H2工作压力范围为1656kPa，实验时采用压力为36kPa，输出电压范围为2856V。实验在恒定环境温度下进行，分别在70、60、50及40A电流点进行测试，所得的电压与温度的响应曲线如图2所示。从图2可看出，在给定输出电流Istack下，电堆电压随温度的升高而逐渐升高，当温度达

7、到某一值后，电压随温度的升高而下降。测试结果充分说明PEMFC在一定的输出电流Istack下，存在一个最优工作温度Topt，当PEMFC运行在该温度点时，电堆输出电压最大。从图2可知，在不同输出电流下最大输出电压对应的最优工作温度Topt的值不同，也即在不同输出电流下，对应不同的最优工作温度。电堆电压/温度曲线是基于Ballard公司的2kW空冷自增湿PEMFC电堆获取的，对于任意空冷自增湿PEMFC电堆采用同样方法进行测试，获得类似的电压/温度曲线。2.2最优温度拟合为获得式（15）的关系表达式，可对空冷自增湿PEMFC电堆的最优温度进行测试，然后对所有测试点数据进行拟合，进而得到式（15）

8、的具体表达式。以Ballard2kW空冷自增湿PEMFC为例，在电堆稳定运行一段时间后，分别测试出几个不同输出电流时对应的电堆最优温度，对测试数据进行整理后得到各测试电流下最大电堆电压Vcell对应的电堆最优工作温度Topt，如表1所示。在电堆电流较小（10A以下）时，由于环境温度及冷却风扇最低转速（满足电堆过氧比要求的空气流量的最低转速）等因素，使得电堆温度恒定在某一值不会产生变化，从而使得测试出的电堆温度、电堆电压数据不能很好地反映电堆性能。这是因为在低电流时电堆产生的热量比较小，虽然冷却风扇转速已降低到最低转速，但风扇散走的热量与电堆产生的热量已达到某一平衡点，电堆温度不再升高而维持在某

9、一稳定值。2kW空冷自增湿PEMFC电堆数据手册给出了Ballard实验室在环境湿度为25%30%、环境温度为1824时测试电流点对应的最优工作温度及电堆工作温度允许范围，数据如表2所示。将表1、表2中数据绘制成电流-最优温度曲线，如图3所示。从图3可看出，实际测试的最优温度曲线在电堆数据手册给出的最小Tmin与最大Tmax范围之内，在大电流阶段，实际测试的最优温度略高于数据手册给出的温度，在低电流阶段略低于数据手册给出的温度，但基本与Ballard实验室的数据一致，表明测试数据基本正确。数据差异存在的主要原因与实验测试环境温度、湿度、数据采集精度、实验电堆等有关，不同的PEMFC电堆，即使在

10、相同的实验条件下测试出的结果也不能保证完全一致，这与PEMFC的自身特性相关。由表1、表2中的数据绘制成的PEMFC电堆极化曲线（电流-电压曲线）如图4所示。从图4中可知实际测试的极化曲线与Ballard实验室测试的极化曲线趋势基本一致，表明实验测试数据正确可靠。通过实验测试得到指定输出电流下的最优工作温度值，但不能通过实验测试出所有输出电流下的最优温度值。在实际控制应用中，需计算出任意输出电流对应的最优工作温度。因此需对表1中的数据进行拟合，以得到电堆电流Istack与电堆最优工作温度Topt的函数关系式。采用多项式函数曲线拟合方法对表1中的数据进行拟合，得到电堆电流Istack与最优工作温

11、度Topt的拟合曲线图如图5所示。由拟合曲线可知，采用三次多项式拟合能较好地逼近实际测试曲线，得到PEMFC电堆最优温度拟合关系表达式为：根据式（16）可知电堆在任意输出电流下对应的电堆最优工作温度。在非最优温度点工作时，其输出性能会降低，但不会对电堆造成不可恢复的损坏。当电堆工作在一定温度范围之外时，容易对电堆造成不可恢复的损坏。空冷自增湿PEMFC电堆数据手册给出了电堆在不同电流下的最大与最小工作温度限值，如表2所示。当电堆工作在限值温度范围之外时，容易造成不可恢复的损坏，对电堆性能及使用寿命产生不利影响。当电堆运行温度过高时，电堆质子交换膜容易干燥，膜电阻增大，导致电堆欧姆极化损失增大，

12、使电堆性能下降；当电堆运行温度过低时，容易引起电堆内部水淹，增大离子传输阻力，从而使电堆性能降低。为获取任意输出电流时对应的最大、最小温度限值，可对表2中最大与最小温度数据进行最小二乘法拟合，得到电堆最大与最小工作温度函数表达式：结合式（16）式（18），可得到电堆在任意输出电流下对应的最优温度，为电堆的最优控制奠定基础。最优温度拟合的前提是需要获取电堆的实际工作电流、电压、温度等数据。对于任意的空冷自增湿PEMFC电堆，可采用类似的实验方法，获得电堆在不同输出电流下的最优工作温度数据，再利用数据拟合方法便可得到电堆最优温度关系表达式。2.3最优控制方法空冷自增湿PEMFC电堆可用于控制的参数

13、仅有电堆输出电流Istack、电堆温度Tstack及电堆尾气排气，其控制目标是使电堆在当前输出电流下输出电能最优，也即电堆输出电压最高，输出功率最大。根据式（13），对PEMFC的最优控制，实际上是对PEMFC最优工作温度控制。只要控制电堆在当前输出电流下工作在最优工作温度点，即可使电堆输出电压最高，实现电堆最优控制。由于空冷自增湿PEMFC运行过程是一个非线性、强耦合、时变的复杂系统，其精确数学控制模型难以建立。而温度控制又具有滞后、时变和强耦合等特点，采用传统的精确模型控制难以达到控制精度，对这种具有滞后、时变的温度控制一般采用如图6所示的控制方法进行控制。根据电堆输出电流Istack，利

14、用最优温度公式（式（16）计算出最优温度Topt，Topt与检测到的电堆实际温度Tstack相比较，得到温度误差e，再根据温度误差e，采用某一控制策略产生控制信号，实时调整电堆风扇的控制电压u，从而通过改变风扇转速来调整电堆的工作温度，使电堆工作在最优工作温度点附近。图中“计算当前最优温度”是指按照拟合式（16）计算出的最优工作温度；图中的“控制器”一般采用智能温度控制算法，常见的温度控制方法有PID控制、模糊控制、模糊-PID控制及自适应模糊PID控制等15。3 PEMFC最优控制测试与分析为验证PEMFC工作在由式（16）式（18）得到的最优温度时，电堆输出性能是否最优，按照图6所示控制原

15、理，采用PID温度控制方法对Ballard2kW空冷自增湿PEMFC进行实验测试。测试的响应曲线如图7所示。由图7a可知，温度的稳态误差在-0.30+0.10范围内，具有较高的控制精度。从图7a可看出，在电堆温度达到稳态时，PEMFC输出电压波动非常小，这是因为稳态时PID控制器输出的控制量接近一恒定值，风扇转速稳定，电堆达到热量平衡，空气过氧比处于合理水平，所以输出电压平稳。图7中，当负载电流从小切换到大时，PEMFC输出电压先出现一个下降尖峰，随后输出电压上升并稳定在某一电压范围内，而当负载电流从大切换到小时，PEMFC输出电压先出现一个上升尖峰，随后下降并稳定在某一电压范围内，出现这种现

16、象是由PEMFC本身特性决定的，充分表明测试曲线的正确性。将测试得到的PEMFC输出电压Vcell、电堆电流Istack数据与表1中手动测试的数据绘制成极化曲线，如图8a所示，局部放大曲线如图8b所示。图中“Topt-实际测试”曲线是PEMFC电堆运行过程的所有数据，未做删减处理。从图8a可看出，采用拟合的最优温度关系式进行PEMFC最优控制得到的极化曲线与手动测试得到的最优极化曲线基本重合。从局部放大图可看出，在给定运行电流点，PEMFC电堆稳态运行时，其输出电压基本稳定在最优输出电压附近。如图8b中点a及点b所示，PEMFC输出电压基本在手动测试得到的最优输出电压附近。当PEMFC输出电流从35A切换到4