水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统控制研究

能源危机和环境问题困扰着社会经济的发展,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有能量密度高、操作温度低、启动速度快和工作寿命长等优点,是一种将化学能转化为电能的设备,燃料为氢气,氧化剂为空气,通过电化学反应产生电能,具有广阔的应用前景。温度是影响水冷PEMFC系统输出性能的关键参数,一个合理的热管理系统可以保证系统在稳态和动态变载下温度的稳定,能够提高燃料电池系统性能,延长燃料电池的寿命。因此,对水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统进行研究具有重要意义。本文首先从燃料电池温度特性、电堆动态模型、热管理系统结构优化和控制策略改进等方面出发,介绍了水冷型质子交换膜燃料电池系统的研究现状,基于PEMFC的工作原理和实验数据建立了一个半机理半经验的电堆动态模型,通过仿真与实验对比验证了该模型能够较好地反应燃料电池在动态变载下输出电压和功率的动态响应特性,并基于电堆动态模型研究了燃料电池的温度特性,分析电堆温度变化对其输出性能的影响。其次,明确水冷PEMFC热管理系统的功能、目标和控制要求,对水冷PEMFC系统产热和散热过程进行热值分析,针对热管理系统内部的强耦合性和传统热管理系统存在的不足,对热管理系统进行结构和温度控制策略两方面的改进和优化工作,结构上增设节温器等调节装置,提出一种流量跟随控制的改进温度控制策略,并通过理论分析说明其可行性。最后,搭建了基于PLC控制的水冷PEMFC热管理系统实验平台,根据理论分析和系统实际需求进行硬件设备的参数计算和设备选型,设计了PLC控制程序和监测控制的人机界面,能够根据操作要求设置系统参数并开展实验测试。为解决实验条件的限制,建立基于OPC技术的MATLAB和PLC之间的实时通讯。基于实验平台,首先研究了节温器的温度特性及其安装方式对热管理系统的影响,然后定性分析热管理系统中散热风扇和循环水泵间存在的强耦合关系,最后分析传统温度控制策略和流量跟随控制策略在燃料电池动态变载下的温度控制效果,对实验结果进行对比分析和总结得出流量跟随电堆电流控制策略能够使PEMFC热管理系统迅速响应负载变化,满足系统温度控制需求,通过相关实验也说明该热管理系统实验平台的实用性。本文所做的工作对于优化热管理系统,提升水冷PEMFC系统的工作性能具有一定的指导意义和参考价值。