質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)原理分析

　1 引言

　　質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用在汽車，航天等等領(lǐng)域，因此對(duì)其建模，并根據(jù)模型性能評(píng)估，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。國(guó)際上已有ADVISOR[1] ，特定于燃料電池在汽車上模擬。學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出各種各樣的模型，而此類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(dá)到設(shè)計(jì)控制器以及評(píng)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(qiáng)大的界面編程能力，設(shè)計(jì)出了一套燃料電池模擬器，用戶可以在GUI 界面中進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)組合，模擬，辨識(shí)以及設(shè)計(jì)控制器。

　　2 質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及其面向控制的模型

　　 圖1：燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 燃料電池的結(jié)構(gòu)

　　燃料電池系統(tǒng)主要包括燃料電池反應(yīng)堆，壓縮機(jī)，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(tǒng)的組成有所區(qū)別，圖1 的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。將燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)部件模塊化，用戶就可以選擇所需要的部件，組成合適的燃料電池系統(tǒng)。

　　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(duì)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(shè)下，電池堆的電壓可以表示為vst = n × v fc v fc =E . vact . vohm . vconc （1）

　　開環(huán)電壓E 通過(guò)反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的能量平衡以及法拉第常數(shù)計(jì)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(yīng)物的壓力相關(guān)的常數(shù)，可以由經(jīng)驗(yàn)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(yīng)氣體的溫度，以及壓力的影響。根據(jù)這個(gè)思路，可以將燃料電池的各個(gè)部件設(shè)計(jì)為輸入為前端的這些影響因素，輸出同樣為這些影響因素。至于其他部件的建模可以參考[2]，[3]。3 模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)通用模擬器這個(gè)最終的目標(biāo)，模擬器的設(shè)計(jì)就必須要包含能夠達(dá)到通用化所必須要有的一些特點(diǎn)，如模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)置在線辨識(shí)算法，支持部件庫(kù)這些特點(diǎn)。

　　3.1 模擬器的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

　　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(jù)我們的燃料電池（PEM）可將其分為儲(chǔ)氫系統(tǒng)，空氣壓縮系統(tǒng)，加濕器[6]，溫度控制系統(tǒng)，電堆。將這些部件的模型單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后組合到一起，他們之間的耦合問(wèn)題根據(jù)一些文獻(xiàn)是很復(fù)雜的[4][5] ，如空氣的流量對(duì)于加濕器的濕度的影響[6]，溫度對(duì)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(xiàn)模塊化的目標(biāo)，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(tǒng)的輸出作為后段系統(tǒng)的輸入，中間一些耦合就被簡(jiǎn)化掉，周圍環(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(jī)等等就作為一個(gè)輸入輸出模塊。從上到下的設(shè)計(jì)，模擬器的框圖如下的結(jié)構(gòu)。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(jù)模型設(shè)計(jì)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(diào)試各種算法提供一種快捷，安全，經(jīng)濟(jì)的途徑。

　　模擬器要調(diào)用matlab/simulink 實(shí)現(xiàn)如下的功能：

GUI 界面；燃料電池部件的選擇；導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)自辨識(shí)（需要定義所導(dǎo)入的數(shù)據(jù)格式）； 算法的導(dǎo)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(xiàn)，需要做的是設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的界面與接口。為了實(shí)現(xiàn)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(gòu)圖

　　3.2 模擬器的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)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，可供用戶選擇，模擬，設(shè)計(jì)控制算法。第二個(gè)是燃料電池的部件庫(kù)，以供用戶選擇，組合成適合的燃料電池系統(tǒng)，在本文建立的庫(kù)中針對(duì)三種質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建立了部件，同時(shí)用戶還可以自行添加部件。第二個(gè)是基于Matlab 的GUI 模擬器軟件，可供用戶選擇，模擬，設(shè)計(jì)控制算法。

　　 圖表3 模擬器的實(shí)現(xiàn)

　　上圖是仿真器軟件先從Matlab/Simulink 選擇合適的組件包括在結(jié)構(gòu)章節(jié)中所敘述的幾大模塊，然后進(jìn)行仿真得到的結(jié)果。在圖三的左邊是仿真之后的曲線，左邊是一些參數(shù)框，可以控制要顯示的曲線，曲線的參數(shù)，以及將仿真的曲線和實(shí)際的曲線進(jìn)行對(duì)比。

　　利用Matlab 的toolbox 可添加用戶自定義模型的機(jī)理，可以將用戶自建的模塊放到Toolbox 的庫(kù)中，在以后實(shí)驗(yàn)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(tǒng)，從而進(jìn)行仿真。

　　4 結(jié)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(xiàn)。本文借助Matlab 的強(qiáng)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(xiàn)了一種燃料電池模擬器軟件，根據(jù)需要，可以組合適當(dāng)?shù)娜剂想姵叵到y(tǒng)，再通過(guò)友好的GUI 界面，用戶可以很方便的建立模型，模擬以及設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)牟考倩诶碚撛O(shè)計(jì)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(qiáng)大的工具。項(xiàng)目?jī)r(jià)值：15 萬(wàn)元