湿度和压力调节的PEM燃料电池使用增益调度静态反馈控制器VIP专享VIP免费

湿度和压力调节PEM燃料电池使用增益调度静态反馈控制器AmeyY.Karnik,JingSun,Fellow,IEEE,AnnaG.Stefanopoulou,andJuliaH.Buckland摘要--在本文中，阳极和阴极室之间的聚合物电解质膜的压力差（PEM）燃料电池堆的调节与阳极和阴极的湿度控制使用了阳极再循环系统。压力调节的要求源于膜安全性的考虑。平均湿度在两室的调节是必要的（尽管不是充分的）要求有换栈的水管理。阳极再循环系统中要考虑到两个执行器，即在干燥的氢气流和阳极背压阀。本装置采用静态输出反馈控制器，基于在燃料电池堆的阳极侧压力和湿度的测量调整。由于水的质量动力学和穿过PEM的水输送的特点在亚饱和条件（水只存在于汽相）和饱和条件（液态水随着水蒸汽）之间显著不同，我们用一组固定的增益亚饱和条件的静态输出反馈控制器表明的性能在饱和条件下显著恶化。因此开发一个增益调度控制器以补偿水蒸气饱和阴极状态。理论分析和仿真提供了一些设计上的见解和实现了增益定输出反馈系统的问题。关键词：燃料电池，湿度控制，输出反馈，压力控制。1.引言燃料电池（FUELCELL-BASED）动力总成系统承诺提供更清洁，更高效的汽车[1]。为了提供一个性能比得上常规动力系统的系统，该聚合物电解质膜（PEM）燃料电池动力系统必须满足在汽车应用中所遇到的严格功率和耐久性要求等苛刻操作条件。迎接这些挑战，需要在材料上进行实质性改善和对燃料电池进行施工同样重要的是在燃料电池系统的协同整合，它是由所述燃料电池堆和辅助部件如反应物供应系统，温度控制单元和水管理系统组成[2]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统的性能和寿命取决于水管理系统平衡所产生的水和通过加湿入口流引入到系统中的水，以及从系统中除去的水[3]，[4]。在本文中，整体的水资源管理目标的一个重要任务就是解决。即在PEM燃料电池阴极室的湿度调节是在阳极室和阴极室通过调节阳极水去除，并根据负载的阴极入口湿度来实现，即堆栈的电流。虽然我们本文的范围限定在平均意义上的阳极和阴极湿度控制，调节平均湿度的控制可以被看作是控制边界条件即水的堆栈内的空间分布。在阳极和燃料电池堆的阴极室的平均湿度应足够高，以使膜分离的两个舱室充分加湿。此外，在阳极和阴极湿度的瞬态期间的调节是必要的，以避免过度的液态水堆积在栈中阻碍反应物流动。用于测量液体水的量在一个隔室中除了有和没有液体水在隔室的条件之间的系统动态特性的变化，缺乏传感器使水质管理成为一个有趣的控制问题。在本文中，我们探讨使用反馈控制去控制PEMFC系统的瞬态水管理的问题。对于所研究的系统中，所要求的阴极入口湿度由流经加湿器供给到燃料电池堆的阴极的空气提供的。同时，在水的管理中使用的其他机构，即阳极除去水离开阳极是由未消耗的燃料（HY-德罗根）呈现的。未消耗的燃料使用设备诸如鼓风机或喷射器再循环至阳极入口[5]，液体水使用具有敲除滚筒中的冷凝器，在阳极出口进行流动萃取。具有以喷射器为基础的PEMFC系统的阳极再循环回路如图1所示。喷射器用作泵送装置，以克服阳极出口与阳极入口之间的不利的压差。此外，喷射器将再循环流与从燃料源供给干燥的氢气进行混合。喷射器是用于阳极再循环的一个关键因素，它是处在该再循环路径中，可以提供除水冷凝器。阳极水去除率是通过使用置于冷凝器的背压阀和调节阳极出口之间的再循环流来控制的。上述两种水管理机制用于调节在阳极和阴极中所需的湿度条件。除了湿度调节，通过调节阳极压力跟随阴极的压力以避免在整个膜上产生大的压力差也是很重要的。我们提出了一个设计方法，以开发出满足双方的水管理的要求和在负载瞬变的情况下满足压力调节要求的反馈控制器。在允许模块化堆叠的辅助系统的设计中，我们在阳极再循环系统中考虑其中的瞬态要求只使用致动器，即燃料供应和背压阀开关处理的情形。图1.燃料电池系统的示意图静态输出反馈探索开发低复杂度的控制器。此外，本文提出的控制器设计追求要在考虑现实的传感器性能限制的前提下。特别是，我们表明，使用阳极湿度和各种阳极侧的压力测量值的静态输出反馈方案可与在各种负载变化进行评价的状态反馈控制器可提供的性能相媲美，。静态输出反馈控制...