大功率PEMFC空气系统控制策略研究

摘要

随着能源危机与环境污染问题日益严重，质子交换膜燃料电池凭借其清洁、高效、可再生等优势成为当下研究的热点。然而燃料电池在工作时需要众多辅助系统的配合，其中空气系统作为最重要的辅助系统之一，直接决定着参与反应的氧气是否足量且适宜。当参与反应的氧气量不足时，电堆输出电压降低，质子交换膜过热，降低电堆寿命。反之参与反应的氧气量过高，电堆输出功率不会随之增加但对应的空压机功耗变大，燃料电池系统净输出功率减少。因此，对燃料电池空气系统进行研究，使其能够精确快速地满足燃料电池工作所需空气流量，对维持燃料电池系统稳定高效运行具有重要意义。 首先，本文在参考国内外研究成果基础上，仿照巴拉德HD6电堆空气系统，搭建了包含离心式空压机的燃料电池空气系统实验平台，设计了实验平台的电气控制与通信方式，编写了相关控制程序。该实验平台由离心式空压机、冷却系统、交流电机、电机驱动器及PLC控制器等组成，可以实现空压机运行状态参数在线监测与控制，实验数据分析存储等功能。 接着，本文在所搭建的实验平台上进行了不同蝶阀开度与防喘阀组合形式对空压机出口空气参数影响的实验。通过实验验证了防喘阀对喘振的作用效果受蝶阀开度因素的影响，蝶阀开度越大，防喘阀作用效果越强；在相同蝶阀开度条件下，防喘阀距离空压机出口较远时，防喘振效果好。 最后，本文采用PID控制器对空压机出口流量进行控制，对实验数据的分析表明传统PID控制器在流量控制应用中存在局限性，不能较好的控制空气流量。为了改进PID控制器的控制效果，本文设计了模糊自适应PID控制器用于空压机流量控制，并通过实验的方式对模糊自适应PID控制器与PID控制器的控制效果进行对比，证明了设计的模糊自适应PID控制器相比于PID控制器控制效果有很大提升。

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