濕度和壓力調(diào)節(jié)的pem燃料電池使用增益調(diào)度靜態(tài)反饋控制器

1、濕度和壓力調(diào)節(jié)濕度和壓力調(diào)節(jié)PEMPEM燃料電池使用增益調(diào)燃料電池使用增益調(diào)度靜態(tài)反饋控制器度靜態(tài)反饋控制器AmeyY.KarnikJingSunFellowIEEEAnnaG.StefanopoulouJuliaH.Buckl摘要在本文中，陽極和陰極室之間的聚合物電解質(zhì)膜的壓力差（PEM）燃料電池堆的調(diào)節(jié)與陽極和陰極的濕度控制使用了陽極再循環(huán)系統(tǒng)。壓力調(diào)節(jié)的要求源于膜安全性的考慮。平均濕度在兩室的調(diào)節(jié)是必要的（盡管不是充分的）要求有換

2、棧的水管理。陽極再循環(huán)系統(tǒng)中要考慮到兩個執(zhí)行器，即在干燥的氫氣流和陽極背壓閥。本裝置采用靜態(tài)輸出反饋控制器，基于在燃料電池堆的陽極側(cè)壓力和濕度的測量調(diào)整。由于水的質(zhì)量動力學(xué)和穿過PEM的水輸送的特點在亞飽和條件（水只存在于汽相）和飽和條件（液態(tài)水隨著水蒸汽）之間顯著不同，我們用一組固定的增益亞飽和條件的靜態(tài)輸出反饋控制器表明的性能在飽和條件下顯著惡化。因此開發(fā)一個增益調(diào)度控制器以補償水蒸氣飽和陰極狀態(tài)。理論分析和仿真提供了一些設(shè)計上的見

3、解和實現(xiàn)了增益定輸出反饋系統(tǒng)的問題。關(guān)鍵詞：燃料電池，濕度控制，輸出反饋，壓力控制。1.1.引言引言燃料電池（FUELCELLBASED）動力總成系統(tǒng)承諾提供更清潔，更高效的汽車[1]。為了提供一個性能比得上常規(guī)動力系統(tǒng)的系統(tǒng)，該聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池動力系統(tǒng)必須滿足在汽車應(yīng)用中所遇到的嚴格功率和耐久性要求等苛刻操作條件。迎接這些挑戰(zhàn)，需要在材料上進行實質(zhì)性改善和對燃料電池進行施工。同樣重要的是在燃料電池系統(tǒng)的協(xié)同整合，它是由

4、所述燃料電池堆和輔助部件如反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)，溫度控制單元和水管理系統(tǒng)組成[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)的性能和壽命取決于水管理系統(tǒng)平衡所產(chǎn)生的水和通過加濕入口流引入到系統(tǒng)中的水，以及從系統(tǒng)中除去的水[3]，[4]。在本文中，整體的水資源管理目標的一個重要任務(wù)就是解決。即在PEM燃料電池陰極室的濕度調(diào)節(jié)是在陽極室和陰極室通過調(diào)節(jié)陽極水去除，并根據(jù)負載的陰極入口濕度來實現(xiàn)，即堆棧的電流。雖然我們本文的范圍限定在平均意義上的陽極和

5、陰極濕度控制，調(diào)節(jié)平均濕度的控制可以被看作是控制邊界條件即水的堆棧內(nèi)的空間分布。在陽極和燃料電池堆的陰極室的平均濕度應(yīng)足夠高，以使膜分離的兩個艙室充分加濕。此外，在陽極和陰極濕度的瞬態(tài)期間的調(diào)節(jié)是必要的，以避免過度的液態(tài)水堆積在棧中阻礙反應(yīng)物流動。用于測量液體水的量在一個隔室中除了有和沒有液體水在隔室的條件之間的系統(tǒng)動態(tài)特性的變化，缺乏傳感器使水質(zhì)管理成為一個有趣的控制問題。在本文中，我們探討使用反饋控制去控制PEMFC系統(tǒng)的瞬態(tài)水管理

6、的問題。對于所研究的系統(tǒng)中，所要求的陰極入口濕度由流經(jīng)加濕器供給到燃料電池堆的陰極的空氣提供的。同時，在水的管理中使用的其他機構(gòu)，即陽極除去水離力學(xué)的分析中，我們證明了性能目標可以通過使用切換控制器增益當(dāng)陰極蒸氣壓力達到水汽飽和壓力的增益調(diào)度的靜態(tài)輸出反饋方案來滿足。雖然在本文中的討論將集中于在陰極濕度為基礎(chǔ)的增益切換，控制器增益也已經(jīng)排定基于堆電流以考慮其它系統(tǒng)的非線性。這項研究的目的以是噴射器為基礎(chǔ)來制定水資源管理使用的陽極循環(huán)系統(tǒng)

7、的控制系統(tǒng)，然后演示如何使用控制器增益切換，以解決與膜水路運輸相關(guān)的強非線性。該控制系統(tǒng)的性能是通過模擬假定的植物動力學(xué)完美知識進行評估的。這些動力學(xué)取決于各種因素，如燃料電池堆或水運特征的溫度。評估控制系統(tǒng)，這些因素或其他植物的不確定性的穩(wěn)健性需要額外的調(diào)查，已經(jīng)超出了本文的范圍。本文的結(jié)構(gòu)如下。在第二節(jié)中，我們描述了系統(tǒng)模型，然后制訂第三節(jié)的控制問題。狀態(tài)反饋控制器，在第四節(jié)中實現(xiàn)一個瞬態(tài)基準響應(yīng)。在第五節(jié)，利用壓力和濕度的測量的輸

8、出反饋控制器的設(shè)計是在所述堆棧和所述閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)的亞飽和條件與基準不同的負載變化進行比較的。為了滿足陰極飽和條件下的瞬時響應(yīng)要求，將進行增益調(diào)度的輸出反饋控制器的設(shè)計。該結(jié)果總結(jié)于第六節(jié)。2.2.動態(tài)模型的動態(tài)模型的PEMPEM燃料電池陽極循環(huán)系統(tǒng)燃料電池陽極循環(huán)系統(tǒng)一個75千瓦的PEM燃料電池系統(tǒng)的集總參數(shù)控制導(dǎo)向模式（參照圖1）中，在開發(fā)的[2]和[8]中，用于本文中的控制分析。用于建模的術(shù)語表一中描述這種動態(tài)的系統(tǒng)模型涉及到用表

9、示在歧管“j”中“i”的物種的質(zhì)量的十mji，種狀態(tài)。下標“a”“r”“sma”“c”和“omc”分別代表陽極，返回歧管，歧管陽極供給，陰極，歧管陰極供給和歧管陰極插座。這些歧管的成分通過用代表氫氣、水、氧氣和氮氣的、、和的下標表示。H2OH2O2N2假定燃料電池被保持在一個恒定的溫度，這個動力學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)對于給定歧管上每個物種的質(zhì)量守恒定律建立的模型，這其中物種“i”質(zhì)量的流入（或產(chǎn)生）和離開（或消費），歧管“j”分別記為和。這個系統(tǒng)