質(zhì)子交換膜燃料電池電堆電壓均衡性及其控制策略研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染和能源匱乏的日益加劇，燃料電池技術(shù)作為一種極具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，受到了全世界范圍內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其功率密度高、運(yùn)行溫度低、啟停機(jī)迅速、環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)，在分布式電站、便攜式動(dòng)力源、新能源車輛等方面取得了廣泛應(yīng)用。
　　本文主要對(duì)水冷型PEMFC電堆測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建，PEMFC電堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中單體電池電壓均衡性測(cè)試及控制策略，計(jì)及電壓均衡的PEMFC電堆啟停策略，P

2、EMFC電堆應(yīng)用工況測(cè)試與分析進(jìn)行了研究。本文主要研究成果如下。
　　(1)在分析了水冷型PEMFC電堆運(yùn)行框架及測(cè)試平臺(tái)的工作原理基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)和完成了水冷型PEMFC電堆測(cè)試平臺(tái)搭建工作。給出了測(cè)試平臺(tái)的搭建方案，并對(duì)氣體供給系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的主要功能控制單元進(jìn)行選型。在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件程序，給出各操作控制流程。所建

3、測(cè)試平臺(tái)是后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ);
　　(2)在水冷型PEMFC測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用Ballard公司封裝的9ssl V4型電堆，對(duì)電堆溫度、空氣過(guò)量系數(shù)以及鮮有報(bào)道的氣體溫度和陰陽(yáng)兩極壓力偏差這四方面的操作條件對(duì)PEMFC電堆穩(wěn)態(tài)輸出電壓和單體電池電壓均衡性的影響做了實(shí)際測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，為本文PEMFC電堆動(dòng)態(tài)加載時(shí)操作條件的設(shè)定提供依據(jù);
　　(3)在PEMFC電堆階躍加載動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)PEMFC電堆加載控制策

4、略進(jìn)行了深入研究。模擬了PEMFC機(jī)車電堆的加載策略，分析了其加載過(guò)程中單體電池電壓均衡性變化的具體原因，并在此基礎(chǔ)上著重分析了加載頻率和加載幅值對(duì)單體電池電壓均衡性的影響，提出了一種PEMFC電堆CFCA加載控制策略，給出了一種對(duì)電壓均衡控制較好的加載控制方式，為電堆實(shí)際工作狀態(tài)中電流加載控制提供參考依據(jù);
　　(4)針對(duì)PEMFC電堆加載過(guò)程中空氣的供給問(wèn)題，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出了單體電池電壓均衡性較優(yōu)條件下的電堆電流與空氣過(guò)量

5、系數(shù)的關(guān)系，并將該空氣過(guò)量系數(shù)函數(shù)λ=f（I)作為調(diào)節(jié)電堆加載過(guò)程中的空氣流量及電流加載速度的計(jì)算依據(jù)。該策略可以在保持電堆加載速度的前提下，顯著改善電堆單體電池電壓均衡性表現(xiàn)。
　　(5)針對(duì)傳統(tǒng)溫度控制策略在控制過(guò)程中出現(xiàn)的響應(yīng)速度較慢，控制精度低等問(wèn)題，結(jié)合電堆動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中對(duì)溫度控制的要求，提出了一種通過(guò)控制電堆冷卻水入口壓力控制循環(huán)水流速的改進(jìn)溫度控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)循環(huán)水泵和散熱器風(fēng)扇的解耦控制，并可以在電堆電流大幅加載

6、時(shí)使電堆溫度控制快速響應(yīng)，維持電堆內(nèi)部的溫度狀態(tài)，避免出現(xiàn)電堆內(nèi)部的短時(shí)高溫，從而保證電堆的性能和壽命。
　　(6)針對(duì)PEMFC電堆啟停機(jī)過(guò)程中使用恒定輔助負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)單體電池“氧饑餓”現(xiàn)象或殘余氣體分布不均的情況，分別提出了計(jì)及電壓均衡的PEMFC電堆啟動(dòng)策略和停機(jī)策略。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PEMFC電堆啟停過(guò)程中輔助負(fù)載的大小，在顯著提升單體電池電壓均衡性的同時(shí)，有效的避免啟動(dòng)過(guò)程中“氧饑餓”現(xiàn)象，縮短了單體電池處于高電位的時(shí)間，

7、并可以使停機(jī)狀態(tài)下的單體電池處于一種較為均衡的低電壓狀態(tài)，很好的避免了停機(jī)過(guò)程中殘余氣體消耗不均勻的現(xiàn)象，有效的避免氫-空界面的生成。
　　(7)利用PEMFC機(jī)車電堆加載數(shù)據(jù)及客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)這兩種實(shí)際工況，對(duì)所建水冷型PEMFC電堆測(cè)試平臺(tái)和提出的相關(guān)控制策略進(jìn)行綜合測(cè)試和驗(yàn)證。重點(diǎn)分析了CFCA加載控制策略在電堆加載過(guò)程中對(duì)電堆單體電池電壓均衡性的控制效果，以及提出的改進(jìn)溫度控制策略在電堆負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)的性能響