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(yáng)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(yáng)極和陰極的濕度控制使用了陽(yáng)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(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)中要考慮到兩個(gè)執(zhí)行器，即在干燥的氫氣流和陽(yáng)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(yáng)極側(cè)壓力和濕度的測(cè)量調(diào)整。由于水的質(zhì)量動(dòng)力學(xué)和穿過(guò)PEM的水輸送的特點(diǎn)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(kāi)發(fā)一個(gè)增益調(diào)度控制器以補(bǔ)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(jì)上的見(jiàn)

3、解和實(shí)現(xiàn)了增益定輸出反饋系統(tǒng)的問(wèn)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(dòng)力總成系統(tǒng)承諾提供更清潔，更高效的汽車(chē)[1]。為了提供一個(gè)性能比得上常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)的系統(tǒng)，該聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)必須滿足在汽車(chē)應(yīng)用中所遇到的嚴(yán)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(jìn)行實(shí)質(zhì)性改善和對(duì)燃料電池進(jìn)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(guò)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(biāo)的一個(gè)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(yáng)極室和陰極室通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極水去除，并根據(jù)負(fù)載的陰極入口濕度來(lái)實(shí)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(yáng)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(yáng)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(gè)艙室充分加濕。此外，在陽(yáng)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(guò)度的液態(tài)水堆積在棧中阻礙反應(yīng)物流動(dòng)。用于測(cè)量液體水的量在一個(gè)隔室中除了有和沒(méi)有液體水在隔室的條件之間的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化，缺乏傳感器使水質(zhì)管理成為一個(gè)有趣的控制問(wèn)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(wèn)題。對(duì)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(shí)，在水的管理中使用的其他機(jī)構(gòu)，即陽(yáng)極除去水離力學(xué)的分析中，我們證明了性能目標(biāo)可以通過(guò)使用切換控制器增益當(dāng)陰極蒸氣壓力達(dá)到水汽飽和壓力的增益調(diào)度的靜態(tài)輸出反饋方案來(lái)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(xiàng)研究的目的以是噴射器為基礎(chǔ)來(lái)制定水資源管理使用的陽(yáng)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(yùn)輸相關(guān)的強(qiáng)非線性。該控制系統(tǒng)的性能是通過(guò)模擬假定的植物動(dòng)力學(xué)完美知識(shí)進(jìn)行評(píng)估的。這些動(dòng)力學(xué)取決于各種因素，如燃料電池堆或水運(yùn)特征的溫度。評(píng)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(wèn)題。狀態(tài)反饋控制器，在第四節(jié)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)瞬態(tài)基準(zhǔn)響應(yīng)。在第五節(jié)，利用壓力和濕度的測(cè)量的輸

8、出反饋控制器的設(shè)計(jì)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(zhǔn)不同的負(fù)載變化進(jìn)行比較的。為了滿足陰極飽和條件下的瞬時(shí)響應(yīng)要求，將進(jìn)行增益調(diào)度的輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)。該結(jié)果總結(jié)于第六節(jié)。2.2.動(dòng)態(tài)模型的動(dòng)態(tài)模型的PEMPEM燃料電池陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)燃料電池陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)一個(gè)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?qǐng)D1）中，在開(kāi)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(yǔ)表一中描述這種動(dòng)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(biāo)“a”“r”“sma”“c”和“omc”分別代表陽(yáng)極，返回歧管，歧管陽(yáng)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(guò)用代表氫氣、水、氧氣和氮?dú)獾?、、和的下?biāo)表示。H2OH2O2N2假定燃料電池被保持在一個(gè)恒定的溫度，這個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)對(duì)于給定歧管上每個(gè)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(kāi)（或消費(fèi)），歧管“j”分別記為和。這個(gè)系統(tǒng)