具有温湿度控制的开式阴极PEM燃料电池性能的提升外文翻译资料

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具有温湿度控制的开式阴极PEM燃料电池性能的提升

KAI Ou，Wei-Wei Yuan，Mihwa choi，seugran Yang，Young-bae kim

大韩民国光州乔南国立大学

韩国大田KEPCO研究所，创造性的未来实验室

关键词:开式阴极燃料电池，多输入多输出模糊控制，实时控制，水管理，温度控制，气泡增湿器

摘要

本研究中发展了开式阴极质子电解质膜(PEM)燃料电池的水热管理，气泡加湿器是一种用来控制燃料电池的湿度的新的被安装的装置平衡系统。发明了一种多输入多输出的模糊控制器，并且证明了其在实时控制强非线性动态燃料电池的优越性。根据模糊控制方案，两个主要的控制目标是调节温度的轴流风机速度和用于控制湿度变化的气泡加湿器的电磁阀开关控制。首先，控制轴流风机的转速使燃料电池的温度保持在所需的温度范围内，利用气泡加湿器来加湿进氢量来管理膜的含水量。在模拟电化学和热燃料电池模型的基础上，确定了最佳运行条件。一个有五个输入两个输出的模糊逻辑控制器用来实时调节开式阴极燃料电池的温度和相对湿度，结果表明该模糊控制器有效地提高了燃料电池的工作效率。

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介绍

质子电解质膜燃料电池(PEM)具有将化学能直接转化为电能的能力，被认为是一种很有前途的能量转换器。在过去的几十年里，燃料电池材料和元件设计在耐久性、稳定性、灵活性和系统功率方面都得到了改进[1]。此外，由于PEM燃料电池相对于其他类型的燃料电池具有相对较低的工作温度，因此可用于各种应用，包括汽车、便携式设备，与固定电力系统[2]。一般来说，PEM燃料电池的功率主要受温度、膜含水量、氢氧分压和氧过量比[3]的影响。特别是， 膜的温度和含水量是影响膜离子电导率[4]的PEM燃料电池的关键参数。

水管理是PEM燃料电池应用的主要关注点之一，以提供所需的动力，以响应不断波动的入口变量和负荷条件[5,6]。PEM燃料电池中气体扩散层(GDL)的主要作用是将反应物沿电极的活性表面分布。相对湿度和电流要求都很高，由于电化学反应产生的液态水，GDL的微孔层和通道容易被淹没。当输送通道充满了水时，微孔层和沟道被淹没，燃料电池的性能[6-8]会显著下降，从而降低燃料电池的效率。同时，膜湿度低导致膜透性增加，这反过来又降低了燃料电池堆的效率，因为欧姆压降很大。因此，膜的含水量应通过各种方法进行管理，如通过阳极/阴极清洗或相对湿度调节等方法来处理液态水，来提高PEM燃料电池性能[9]。PEM燃料电池与额外加湿的输入反应物工作地更有成效[10,11]；然而，在某些应用中，加湿器需要消耗一定的功率，这可能会降低输出净功率。在这篇文章中设计了一种气泡加湿器，使进口氢达到控制膜内含水量的目的，最大限度地减少了寄生功率消耗。所设计的气泡加湿器结构简单，不需要外部电源[12]。气泡加湿器操作简单。气泡加湿器装有两个电磁阀：一个阀提供通过加湿器的加湿氢，另一个阀门通过加湿器提供干氢，正如图1所示。因此，通过打开和关闭这两个电磁阀来控制进口氢的相对湿度。本研究的2 kW开式阴极PEM燃料电池是Horizon公司的H-2000型燃料电池，这种燃料电池只有一个防喷器，它是一个风扇，用来调节空气供应。它控制温度，但不控制湿度。因此，由于温度连续性差，PEM燃料电池的效率比其他具有阳极和阴极供气管的商用燃料电池和带外加湿器的燃料电池的效率要低。

几项工作集中于研究燃料电池系统的最佳工作温度，并将其控制在预期的范围[13-17]。等等。[18]提到过高的温度对于保持高离子电导率来保持系统的最佳运行是很重要的。对燃料电池系统在高温和相对湿度条件下的效率进行了分析。[19],结果表明在给定温度下燃料电池需要更高的相对湿度和更多的水蒸气。Riasscos[20]说明进气加湿的重要性并且指出燃料电池在膜完全干燥前通过提高温度可以达到较高的平均电池电压。否则，堆栈中将出现剧烈的电压下降。人们对PEM质子交换膜燃料电池[21-23]中水传输的运行机理进行了大量的研究，虽然很少有研究提到了水在实际系统中的传输效应。Riasscos试图在没有额外加湿器的情况下控制PEM燃料电池的相对湿度。Headley等人[24]开发了一个基于物理的PEM燃料电池模型，用于阴极湿度控制。然而，控制膜中的水分含量是一个挑战，特别是在实时控制系统中，由于质量输送现象、工作温度、入口气体相对湿度、传感器位置等相关因素的影响。据作者所知，只有少数研究人员尝试用实时平台同时控制温度和膜湿度。

本研究采用多输入多输出模糊控制器对燃料电池的膜含水率和运行温度进行实时控制。一种基于模型的控制器，如线性二次高斯(LQG)或模型预测控制(MPC)无法应用，因为开发精确的水输运动态模型几乎是不可能的。因此，采用了模糊控制器。控制变量为风机、电机调速、温度调节、螺线管开关信号，用于气泡加湿器，调节燃料电池相对潮湿度。模糊控制器通过使用两个电磁阀间接地控制膜的含水量来确定气泡加氢装置是否需要加湿氢气。主要研究内容如下：(1)描述了PEM燃料电池的电化学模型和热模型；(2)设计了MIMO模糊控制器；(3)介绍了实验装置；(4)评价了MIMO模糊控制器对PEM燃料电池性能的影响。

PEM燃料电池模型

电化学PEM燃料电池模型

图1-气泡加湿器控制图

电化学和热模型来研究温度和湿度是怎么影响燃料电池的表现并且确定最佳运行条件。。燃料电池的电压是多变量的高度非线性函数。PEM燃料电池[25]的电压下降是不可避免的，是由激活、欧姆和渗透损耗引起的，先前的研究提出了PEM燃料电池的电化学模型。在这部分，一个PEM燃料电池建立了电化学模型，包括电化学电压模型。E_Nernst，是开路电压，也被称为参考文献中的热力学势。[22]和[24,25]:

(1)

内伦斯特氏电位是由堆栈温度氧气成分和氢气成分决定的。堆栈的输出电压与理论(可逆)电压不同，理论电压计算如下:

（2）

i是现在的密度，氧还原反应动力学比氢气氧化反应慢,产生一种称为激活极化(Vact)的非线性压降：

（3）

其中，Ist是叠加的电流，而 的系数可以用实验来计算。 是由亨利定律[25]定义的界面上的氧气浓度：

（4）

欧姆过电位是由于电子通过电极和离子通过膜而产生的。通过膜厚度()和膜电导率( )计算内部电阻。欧姆过电位( )表示为：

（5）

其中 是膜( )含水量的函数，如：

(6)

其中 是经验参数。大部分的压降 和催化剂层上反应物气体的消耗会导致浓度梯度：

（7）

实验验证了该方法的有效性。仿真和实验结果如图2所示。这个表明电化学模型很好地表示真正的开放阴极燃料电池。开式阴极燃料电池堆内的温度动力学采用集总参数的能转换方程来表示：

（8）

堆的质量 和比热容 都是由实验确定的，正如以前在参考文献中所报道的那样。 是电化学反应释放的总能量：

， （9）

其中n是单元数，i是外部电流，F是法拉第常数，DG是反应气体提供的总焓。 Q_rad,B2amb是因为辐射释放的能量可以被忽略不计因为与冷却剂系统(轴向风扇)的热损失相比，该值是非常小的。轴向风扇转速由脉冲模式宽度（PWM）电路控制。Qcool是与空气流量有关的冷却剂系统，该系统是通过实验计算出来的： （10）

其中 是经验系数，是通过实验决定的。 是空占比， 空气是周围空气的密度， 空气是比热容，入口是横截面面积。前文详细介绍了开式阴极PEM燃料电池系统的热模型。叠层热模型在先前的实验中被证实正如图3所示那样。如图所示，该模型很好地反映了2 kW开阴极式燃料电池的温度变化。

图2极化曲线和燃料电池输出功率验证

图3 热模型的确认

图4 基于PI控制的温度调节模型验证

温度小于设定值，风扇处于静止状态。由于冷却剂和空气输送子系统之间的耦合，堆栈输出在这种状态下受到限制。系统的初始输出设定为3 A，以避免缺少氢。图4给出了PI控制器的仿真和实验结果。结果展示了很大的温度差和很长的设定时间。由于大的温度过冲可能会损害燃料电池的耐用性，因此需要更先进的控制逻辑来防止燃料电池损坏或操作停机。表1显示燃料电池系统的规格。

PEM燃料电池的水热管理

水的聚集动力学对反应气体的输送和燃料电池的性能有很大的影响。由于膜中的水分活度因为电渗阻力、渗透扩散、水渗透性和蒸发非常难以预测，获得精确的水动力学模型几乎不可能。因此，不能使用基于动态模型的常规控制技术管理燃料电池的水调节。在燃料电池截面热模型中提出的简单PI控制器可以在一定的负载电流范围内调节温度，具有超调和低于调控。温度控制不能提供有效的湿度管理，即使控制细胞温度的风扇速度间接地影响膜的湿度。因为水管理和湿度管理的动态模型难以建立，模糊逻辑控制图片同时用来管理温度和湿度，模糊控制主要用来管理系统对于那些不可知的动态模型或者非线性的系统。在本研究中，叠加电压被认为是电流、分压、温度、膜含水量和氧过量比的函数，其表达式如下：

（11）

冷却液和空气输送子系统耦合在轴向风扇系统中，如图5所示。如前所述，电池的温度利用模糊控制器的脉宽调制(PWM)信号改变轴流风机转速来控制，根据先前给出的方程，堆栈的电压受膜的外部电流和含水量[26，27]的影响。

表1 参数

图5 开式阴极燃料电池系统控制结构

优化操作点

燃料

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