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质子交换膜燃料电池的SIMULINK建模
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产品说明:

由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统的空压机惯性和供气管路迟滞现象,当对PEMFC系统的需求电流突然增大时,会造成空气供应子系统为电堆提供的氧气不足,出现短期“缺氧”现象,即氧气供应量不能保证所需要的电流输出,从而造成电压瞬间过低,甚至缩短燃料电池的寿命。然而,为燃料电池堆供应过多的氧气会消耗电堆更多的电量,降低燃料电池系统的发电效率。因此,通过控制空气供应端的最优过氧比,既可以保证氧气的充足供应,避免“缺氧”现象,又可以降低寄生功率消耗,提高系统发电效率。另一方面,燃料电池的耐久性是制约其商业化的技术挑战之一,通过控制空气供应端过氧比的波动,可以延长燃料电池的使用寿命。总之,对空气供应端的过氧比进行控制研究,是PEMFC系统研究的重要内容,有利于燃料电池性能的发挥以及商业应用的推广。


首先,本研究参照Pukrushpan的相关建模工作,利用Matlab/Simulink仿真工具建立了PEMFC系统的动态模型,包括燃料电池堆模型、空压机模型、供气管路模型以及排气管路模型四部分,每部分都具有相应的动态环节。与Pukrushpan采用非线性曲线拟合解析方法(如Jensen & Kristensen方法)建立空压机模型的不同在于,本研究采用了静态表查取的形式确定空压机特性,这有利于降低系统的计算负荷。同时当空压机类型更换时,只需在表格中替换新的空压机MAP特性数据,这样扩大了本模型的适用范围。本研究通过描绘电堆输出的U-I曲线验证了该模型在多个工作点处的稳态特性,分析负载电流阶跃变化对系统输出电压以及气体流量等的影响,验证了模型的动态特性,说明所建动态模型适用于本文的过氧比及其波动的控制研究。

对PEMFC系统空气供应端的最优过氧比控制主要针对PEMFC系统的需求电流,通过调节空压机的控制电压,达到预定的最优过氧比值。常用的控制方法为前馈控制和前馈/反馈控制。本文分别对上述两种控制方法在Matlab/Simulink中进行仿真验证,并将仿真结果进行分析比较,得出两种控制方法的特点:通过前馈控制,可以快速将过氧比定位到该需求电流所对应的最优过氧比值;通过反馈控制,可以减小实际过氧比与最优过氧比之间的误差,保证过氧比控制的准确性。

对于空气端过氧比波动的控制,主要通过调节电堆电流拉取方式减缓燃料电池空气端过氧比的波动,从而降低其对燃料电池寿命的影响。具体方法为,从工程实现的角度出发,假设实际拉取的电堆电流以一阶动态响应的方式过渡至对PEMFC系统的需求电流值。对于一阶动态时间常数的选取,则通过比较所定义的指标函数,找到某一工况下对应的最优时间常数值。同时,对一阶时间常数的动、静态影响因素进行分析。虽然从电堆拉取的电流需要一定时间才能达到对系统的需求电流值,但通常PEMFC系统在使用时都配有蓄电池。因此,上述过氧比波动控制方法引起的PEMFC系统对需求电流响应减慢的现象,可以通过辅助蓄电池得到改善。

本研究还考虑了需求电流突然降低时,由于PEMFC系统的动态特性以及阳极侧氢气的供应方式而导致的一部分氢气未经反应直接排出系统的问题。针对上述情况,提出了一种盈余氢气利用率的概念,并通过调节拉取电流的方式,将燃料电池-蓄电池电电混合系统对氢能的利用率提高了约1%,这对降低系统使用成本,节约氢能源有重要意义。

当然,本研究工作还存在不足之处,在今后的工作中,可以进一步完善建模工作,使模型更加真实地反映实际PEMFC系统。同时,可以通过比较各种拉取电堆电流的方式,找到更有效的过氧比波动控制方法。待条件成熟时,考虑将本文的研究内容应用在实际系统中。

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