质子交换膜燃料电池电堆电压均衡性及其控制策略研究

摘要

随着环境污染和能源匮乏的日益加剧，燃料电池技术作为一种极具发展前景的新能源技术，受到了全世界范围内的重点关注。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其功率密度高、运行温度低、启停机迅速、环保无污染等特点，在分布式电站、便携式动力源、新能源车辆等方面取得了广泛应用。
　　本文主要对水冷型PEMFC电堆测试平台的设计与搭建，PEMFC电堆稳态运行及动态加载过程中单体电池电压均衡性测试及控制策略，计及电压均衡的PEMFC电堆启停策略，PEMFC电堆应用工况测试与分析进行了研究。本文主要研究成果如下。
　　(1)在分析了水冷型PEMFC电堆运行框架及测试平台的工作原理基础上，自主设计和完成了水冷型PEMFC电堆测试平台搭建工作。给出了测试平台的搭建方案，并对气体供给系统、加湿系统、压力调节系统、热管理系统及数据采集和控制系统的主要功能控制单元进行选型。在硬件平台的基础上，利用数据采集卡和LabVIEW软件平台设计了测试系统的上位机软件程序，给出各操作控制流程。所建测试平台是后续的实验研究的基础;
　　(2)在水冷型PEMFC测试平台的基础上，利用Ballard公司封装的9ssl V4型电堆，对电堆温度、空气过量系数以及鲜有报道的气体温度和阴阳两极压力偏差这四方面的操作条件对PEMFC电堆稳态输出电压和单体电池电压均衡性的影响做了实际测试和数据分析，为本文PEMFC电堆动态加载时操作条件的设定提供依据;
　　(3)在PEMFC电堆阶跃加载动态响应研究的基础上，对PEMFC电堆加载控制策略进行了深入研究。模拟了PEMFC机车电堆的加载策略，分析了其加载过程中单体电池电压均衡性变化的具体原因，并在此基础上着重分析了加载频率和加载幅值对单体电池电压均衡性的影响，提出了一种PEMFC电堆CFCA加载控制策略，给出了一种对电压均衡控制较好的加载控制方式，为电堆实际工作状态中电流加载控制提供参考依据;
　　(4)针对PEMFC电堆加载过程中空气的供给问题，通过实测数据拟合出了单体电池电压均衡性较优条件下的电堆电流与空气过量系数的关系，并将该空气过量系数函数λ=f（I)作为调节电堆加载过程中的空气流量及电流加载速度的计算依据。该策略可以在保持电堆加载速度的前提下，显著改善电堆单体电池电压均衡性表现。
　　(5)针对传统温度控制策略在控制过程中出现的响应速度较慢，控制精度低等问题，结合电堆动态加载过程中对温度控制的要求，提出了一种通过控制电堆冷却水入口压力控制循环水流速的改进温度控制策略，实现了对循环水泵和散热器风扇的解耦控制，并可以在电堆电流大幅加载时使电堆温度控制快速响应，维持电堆内部的温度状态，避免出现电堆内部的短时高温，从而保证电堆的性能和寿命。
　　(6)针对PEMFC电堆启停机过程中使用恒定辅助负载时，会出现单体电池“氧饥饿”现象或残余气体分布不均的情况，分别提出了计及电压均衡的PEMFC电堆启动策略和停机策略。通过动态调节PEMFC电堆启停过程中辅助负载的大小，在显著提升单体电池电压均衡性的同时，有效的避免启动过程中“氧饥饿”现象，缩短了单体电池处于高电位的时间，并可以使停机状态下的单体电池处于一种较为均衡的低电压状态，很好的避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象，有效的避免氢-空界面的生成。
　　(7)利用PEMFC机车电堆加载数据及客车用燃料电池发电系统测试标准这两种实际工况，对所建水冷型PEMFC电堆测试平台和提出的相关控制策略进行综合测试和验证。重点分析了CFCA加载控制策略在电堆加载过程中对电堆单体电池电压均衡性的控制效果，以及提出的改进温度控制策略在电堆负载动态变化时的性能响应。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 质子交换膜燃料电池及控制系统

1．2．2 操作条件对PEMFC稳态运行的影响

1．2．3 PEMFC电堆动态响应特性

1．2．4 PEMFC系统启动停机策略

1．2．5 PEMFC电堆电压均衡性研究

1．3 主要研究内容

1．4 结构安排

第2章 水冷型PEMFC测试系统设计

2．1 引言

2．2 水冷型PEMFC测试系统硬件设计

2．2．1 水冷型PEMFC电堆

2．2．2 燃料供给系统

2．2．3 加湿系统

2．2．4 压力调节系统

2．2．5 热管理系统

2．2．6 数据采集和控制系统

2．3 测试系统软件设计

2．3．1 软件构架设计

2．3．2 软件控制流程

2．4 本章小结

第3章 PEMFC稳态运行电压均衡性测试分析

3．1 引言

3．2 电堆温度的影响

3．2．1 实验条件

3．2．2 电堆温度条件测试

3．3 进气温度的影响

3．3．1 实验条件

3．3．2 进气温度测试

3．4 阴阳极压差的影响

3．4．1 实验条件

3．4．2 阴阳极压差测试

3．5 空气过量系数的影响

3．4．1 实验条件

3．4．2 空气过量系数测试

3．6 本章小结

第4章 计及电压均衡的PEMFC电堆动态加载策略研究

4．1 引言

4．2 PEMFC电堆阶跃加载测试与分析

4．3 PEMFC电堆动态加载控制策略

4．3．1 模拟PEMFC机车电堆动态加载

4．3．2 PEMFC电堆CFCA动态加载控制策略

4．3．3 加载幅值对电压均衡性的影响

4．3．4 加载频率对电压均衡性的影响

4．3．5 加载幅值与加载频率综合考量

4．4 空气过量系数对电压均衡性的影响

4．4．1 恒定空气过量系数测试

4．4．2 最优空气过量系数的选取与测试

4．5 水冷型PEMFC电堆温度控制策略

4．5．1 传统温度控制策略的原理与实现

4．5．2 改进温度控制策略在加载过程中的测试与分析

4．6 本章小结

第5章 计及电压均衡的PEMFC电堆启停策略

5．1 引言

5．2 PEMFC衰减机理

5．2．1 碳载体的氧化反应

5．2．2 反向电流机理

5．2．3 电压均衡性在电堆启停过程中的影响

5．3 PEMFC电堆启动策略

5．3．1 恒电流启动对电堆的影响

5．3．2 计及电压均衡性的电堆启动控制策略

5．4 PEMFC电堆停机策略

5．4．1 恒电流停机对电堆的影响

5．4．2 计及电压均衡性的电堆停机控制策略

5．5 本章小结

第6章 计及电压均衡的PEMFC电堆应用工况测试与分析

6．1 引言

6．2 PEMFC机车数据测试

6．2．1 PEMFC机车电堆工作原理

6．2．2 机车工况测试与分析

6．3 客车用燃料电池发电系统工况测试

6．3．1 客车用燃料电池发电系统测试标准

6．3．2 客车用燃料电池发电系统工况测试

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间的论文及科研情况