質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)態(tài)建模及其PID控制.pdf

1、能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，也是衡量綜合國(guó)力、國(guó)家文明發(fā)達(dá)程度和人民生活水平的重要指標(biāo)。人類社會(huì)進(jìn)步的歷史表明，每一次能源技術(shù)的創(chuàng)新突破都給生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)變革帶來了重大而深遠(yuǎn)的影響。這就使得燃料電池的研究在能源界具有了極為重要的意義。燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它可以直接將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。 本文的主要研究對(duì)象是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel C

2、ell)，它除了具有燃料電池的一般特點(diǎn)（如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等）之外，同時(shí)還具有可在室溫快速啟動(dòng)、無電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。因此，它已經(jīng)成為當(dāng)今燃料電池領(lǐng)域中研究最廣泛、發(fā)展最快的一個(gè)分支。為了給設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制PEMFC提供基本的和合理的依據(jù)，必須對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真，本文就PEMFC穩(wěn)態(tài)建模及其控制作了研究。 本論文主要研究工作包括：1）對(duì)PEMFC進(jìn)行穩(wěn)態(tài)建模，使模型能正確反映電堆

3、的實(shí)際輸出性能。通常，由于機(jī)理模型令人生畏的復(fù)雜性，致使模型難以求解,因此，在本文中建立的是PEMFC實(shí)驗(yàn)機(jī)理模型，它主要是通過實(shí)驗(yàn)方法，建立描述電池輸出特性(輸出電壓與電流密度關(guān)系)的經(jīng)驗(yàn)公式，在實(shí)際應(yīng)用中更加簡(jiǎn)便。2）但是，由于在建模過程中，進(jìn)行了假設(shè)和近似，因此不管是什么模型，PEMFC 模型與實(shí)際的電堆性能之間必存在著偏差。為了提高模型的精度，以便使模型能更好地反映真實(shí)的PEMFC電堆性能，則需要對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文中結(jié)合千

4、瓦級(jí)PEMFC電堆的輸出電壓、負(fù)載需求電流，陰極和陽極的氣體運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)，對(duì)電堆參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和確定。通過運(yùn)用兩種不同的算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，并用Matlab對(duì)所建模型進(jìn)行仿真和參數(shù)辨識(shí)，選取其中仿真結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)值吻合較好的一組辨識(shí)參數(shù)，使優(yōu)化后的PEMFC 穩(wěn)態(tài)模型能夠更好的用于PEMFC 穩(wěn)態(tài)性能的估計(jì)和研究。3）為了更好地對(duì)PEMFC穩(wěn)態(tài)模型的進(jìn)行控制，本文基于所建的PEMFC穩(wěn)態(tài)模型，用Simulink模塊來搭建了一個(gè)仿真模型，對(duì)

5、其輸入一個(gè)方波電流量，仿真得到了期望的輸出電壓量。4）在電堆實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)載是會(huì)有波動(dòng)的，此時(shí)要求輸出穩(wěn)定的電壓。文中設(shè)計(jì)了PID壓力控制器，給PEMFC電堆的Simulink模型加入了在一定范圍內(nèi)變化的隨機(jī)變量作為負(fù)載電流輸入量，然后通過控制進(jìn)入PEMFC電堆的氣體壓力，來得到穩(wěn)定的電壓值。 本文具體地介紹了整個(gè)PEMFC穩(wěn)態(tài)模型的建立、仿真和控制。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的千瓦級(jí)PEMFC電堆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所建模性能正確地反映