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空冷自增湿燃料电池最优控制方法研究

发布时间:2020-12-08 23:13内容来源:网络整理 点击:

游志宇1,邵仕泉1,刘涛2,李奇2

(1.西南民族大学电气信息工程学院,成都610041;2.西南交通大学电气工程学院,成都610031)

  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。

  0引言

  质子交换膜燃料电池(proton exchange 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[1~3]。

  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。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[12~14]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PEMFC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0~75A,最高工作温度为75℃,H2工作压力范围为16~56kPa,实验时采用压力为36kPa,输出电压范围为28~56V。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

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