質(zhì)子交換膜燃料電池系統原理分析

　　質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)大規模的應用在汽車(chē)，航天等等領(lǐng)域，因此對其建模，并根據模型性能評估，控制系統設計就顯得尤為重要。國際上已有ADVISOR[1] ，特定于燃料電池在汽車(chē)上模擬。學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出各種各樣的模型，而此類(lèi)模型大多只模擬燃料電池的部分特性。為了能在工程上使用燃料電池的模型來(lái)達到設計控制器以及評估燃料電池，需要一種面向控制的燃料電池模型，Jay T.pukruspan 在[2]中提出一種面向控制的燃料電池模型，全面地描述了燃料電池的特性。本文集于此模型，更深入的將燃料電池的各個(gè)部分模塊化，再基于Matlab/Simulink 和Matlab 本身強大的界面編程能力，設計出了一套燃料電池模擬器，用戶(hù)可以在GUI 界面中進(jìn)行燃料電池系統組合，模擬，辨識以及設計控制器。

　　2 質(zhì)子交換膜燃料電池的結構及其面向控制的模型

　　 圖1：燃料電池系統的結構圖

　　2.1 燃料電池的結構

　　燃料電池系統主要包括燃料電池反應堆，壓縮機，流量控制器，加熱器，散熱器，加濕器等，各種不同的燃料電池系統的組成有所區別，圖1 的結構是復雜系統實(shí)驗室的燃料電池系統的結構圖。將燃料電池系統的各個(gè)部件模塊化，用戶(hù)就可以選擇所需要的部件，組成合適的燃料電池系統。

　　2.2 燃料電池的模型

　　本文模擬器所使用的模型是基于一種面向控制的質(zhì)子交換膜的燃料電池模型[2]，下面就對該模型作一些簡(jiǎn)單的介紹。下面介紹的是電堆的模型。

電流Ist 則和電池單元電流相等。電流密度定義為單位電池活性面積的電流，表示為i fc = Ist / Afc 。在所有的電池單元都是同一的假設下，電池堆的電壓可以表示為vst = n × v fc v fc =E . vact . vohm . vconc （1）

　　開(kāi)環(huán)電壓E 通過(guò)反應物和產(chǎn)物之間的能量平衡以及法拉第常數計算而得：

　　活化作用過(guò)電壓和電流密度之間的關(guān)系可由Tafel 等式描述，近似為：

　　則vohm 和電池堆的電流成正比：vohm = i . Rohm （4）

　　阻抗Rohm 和交換膜的濕度以及電池堆的溫度緊密相關(guān)。它和交換膜的厚度tm 成正比。vconc 的值可以由下列式子近似給出：

vconc =i(c2 i )c3 imax （7） 這里c2, c3和imax 是和溫度和反應物的壓力相關(guān)的常數，可以由經(jīng)驗來(lái)確定。由上面的系列公式可以看出：燃料電池的電壓輸出受到電堆中膜的濕度，反應氣體的溫度，以及壓力的影響。根據這個(gè)思路，可以將燃料電池的各個(gè)部件設計為輸入為前端的這些影響因素，輸出同樣為這些影響因素。至于其他部件的建?？梢詤⒖糩2]，[3]。3 模擬器的設計與實(shí)現為了實(shí)現通用模擬器這個(gè)最終的目標，模擬器的設計就必須要包含能夠達到通用化所必須要有的一些特點(diǎn)，如模塊化設計，內置在線(xiàn)辨識算法，支持部件庫這些特點(diǎn)。

　　3.1 模擬器的設計與結構

　　模塊化首先要分析一個(gè)完整的燃料電池包括的模塊，根據我們的燃料電池（PEM）可將其分為儲氫系統，空氣壓縮系統，加濕器[6]，溫度控制系統，電堆。將這些部件的模型單獨設計，然后組合到一起，他們之間的耦合問(wèn)題根據一些文獻是很復雜的[4][5] ，如空氣的流量對于加濕器的濕度的影響[6]，溫度對于通過(guò)加濕器的氣流的濕度飽和度的影響等等，但為了實(shí)現模塊化的目標，我們必須將其簡(jiǎn)化，而且這種簡(jiǎn)化在模擬器[1]中也都存在。

　　簡(jiǎn)化的思路是將前端系統的輸出作為后段系統的輸入，中間一些耦合就被簡(jiǎn)化掉，周?chē)h(huán)境溫度的影響如氣流在管道中傳輸，由于受環(huán)境影響，溫度降低，濕度發(fā)生改變等等。這些影響將其忽略掉。加濕器，壓縮機等等就作為一個(gè)輸入輸出模塊。從上到下的設計，模擬器的框圖如下的結構。共有九個(gè)模塊，其中八個(gè)模塊為燃料電池的組成部分，控制器是根據模型設計的不同的控制器，在模型比較精確的情況下可以提供模擬的功能，為調試各種算法提供一種快捷，安全，經(jīng)濟的途徑。

　　模擬器要調用matlab/simulink 實(shí)現如下的功能：

GUI 界面；燃料電池部件的選擇；導入試驗數據自辨識（需要定義所導入的數據格式）； 算法的導入以及接口問(wèn)題

　　以上的問(wèn)題通過(guò)直接使用matlab 的GUI 編程功能不難實(shí)現，需要做的是設計一個(gè)統一的界面與接口。為了實(shí)現以上功能，我們可以將simulator 的操作過(guò)程定義如下：

　　 圖表2 模擬器功能構圖

　　3.2 模擬器的實(shí)現

　　根據設計需求，模擬器需要包括兩個(gè)方面，第一個(gè)是基于Matlab 的GUI 模擬器軟件，可供用戶(hù)選擇，模擬，設計控制算法。第二個(gè)是燃料電池的部件庫，以供用戶(hù)選擇，組合成適合的燃料電池系統，在本文建立的庫中針對三種質(zhì)子交換膜燃料電池系統建立了部件，同時(shí)用戶(hù)還可以自行添加部件。第二個(gè)是基于Matlab 的GUI 模擬器軟件，可供用戶(hù)選擇，模擬，設計控制算法。

　　 圖表3 模擬器的實(shí)現

　　上圖是仿真器軟件先從Matlab/Simulink 選擇合適的組件包括在結構章節中所敘述的幾大模塊，然后進(jìn)行仿真得到的結果。在圖三的左邊是仿真之后的曲線(xiàn)，左邊是一些參數框，可以控制要顯示的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的參數，以及將仿真的曲線(xiàn)和實(shí)際的曲線(xiàn)進(jìn)行對比。

　　利用Matlab 的toolbox 可添加用戶(hù)自定義模型的機理，可以將用戶(hù)自建的模塊放到Toolbox 的庫中，在以后實(shí)驗的時(shí)候，通過(guò)上面的軟件組合，可以自動(dòng)生成Simulink 模擬系統，從而進(jìn)行仿真。

　　4 結論

　　燃料電池是最近很活躍的研究領(lǐng)域，很多的理論以及工具不斷地出現。本文借助Matlab 的強大能力，將一種燃料電池模型各個(gè)部件模塊化，成功實(shí)現了一種燃料電池模擬器軟件，根據需要，可以組合適當的燃料電池系統，再通過(guò)友好的GUI 界面，用戶(hù)可以很方便的建立模型，模擬以及設計控制器。

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)：深入將一種面向控制的模型模塊化，可以自由組合各種適當的部件，再基于理論設計了一套模擬器軟件，為工程以及科學(xué)研究提供一種易用但強大的工具。項目?jì)r(jià)值：15 萬(wàn)元