質子交換膜燃料電池系統原理分析

　1 引言

　　質子交換膜燃料電池已經大規模的應用在汽車，航天等等領域，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上模擬。學術界已經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，用戶可以在GUI 界面中進行燃料電池系統組合，模擬，辨識以及設計控制器。

　　2 質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驗室的燃料電池系統的結構圖。將燃料電池系統的各個部件模塊化，用戶就可以選擇所需要的部件，組成合適的燃料電池系統。

　　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子交換膜的燃料電池模型[2]，下面就對該模型作一些簡單的介紹。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）

　　開環電壓E 通過反應物和產物之間的能量平衡以及法拉第常數計算而得：

　　活化作用過電壓和電流密度之間的關系可由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。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的常數，可以由經驗來確定。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。根據這個思路，可以將燃料電池的各個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。至于其他部件的建模可以參考[2]，[3]。3 模擬器的設計與實現為了實現通用模擬器這個最終的目標，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，如模塊化設計，內置在線辨識算法，支持部件庫這些特點。

　　3.1 模擬器的設計與結構

　　模塊化首先要分析一個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]，溫度對于通過加濕器的氣流的濕度飽和度的影響等等，但為了實現模塊化的目標，我們必須將其簡化，而且這種簡化在模擬器[1]中也都存在。

　　簡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化掉，周圍環境溫度的影響如氣流在管道中傳輸，由于受環境影響，溫度降低，濕度發生改變等等。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。共有九個模塊，其中八個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，經濟的途徑。

　　模擬器要調用matlab/simulink 實現如下的功能：

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題

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

　　 圖表2 模擬器功能構圖

　　3.2 模擬器的實現

　　根據設計需求，模擬器需要包括兩個方面，第一個是基于Matlab 的GUI 模擬器軟件，可供用戶選擇，模擬，設計控制算法。第二個是燃料電池的部件庫，以供用戶選擇，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子交換膜燃料電池系統建立了部件，同時用戶還可以自行添加部件。第二個是基于Matlab 的GUI 模擬器軟件，可供用戶選擇，模擬，設計控制算法。

　　 圖表3 模擬器的實現

　　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，然后進行仿真得到的結果。在圖三的左邊是仿真之后的曲線，左邊是一些參數框，可以控制要顯示的曲線，曲線的參數，以及將仿真的曲線和實際的曲線進行對比。

　　利用Matlab 的toolbox 可添加用戶自定義模型的機理，可以將用戶自建的模塊放到Toolbox 的庫中，在以后實驗的時候，通過上面的軟件組合，可以自動生成Simulink 模擬系統，從而進行仿真。

　　4 結論

　　燃料電池是最近很活躍的研究領域，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部件模塊化，成功實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，再通過友好的GUI 界面，用戶可以很方便的建立模型，模擬以及設計控制器。

　　本文創新點：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，為工程以及科學研究提供一種易用但強大的工具。項目價值：15 萬元