質子交換膜燃料電池電堆電壓均衡性及其控制策略研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染和能源匱乏的日益加劇，燃料電池技術作為一種極具發(fā)展前景的新能源技術，受到了全世界范圍內的重點關注。其中質子交換膜燃料電池(PEMFC)以其功率密度高、運行溫度低、啟停機迅速、環(huán)保無污染等特點，在分布式電站、便攜式動力源、新能源車輛等方面取得了廣泛應用。
　　本文主要對水冷型PEMFC電堆測試平臺的設計與搭建，PEMFC電堆穩(wěn)態(tài)運行及動態(tài)加載過程中單體電池電壓均衡性測試及控制策略，計及電壓均衡的PEMFC電堆啟停策略，P

2、EMFC電堆應用工況測試與分析進行了研究。本文主要研究成果如下。
　　(1)在分析了水冷型PEMFC電堆運行框架及測試平臺的工作原理基礎上，自主設計和完成了水冷型PEMFC電堆測試平臺搭建工作。給出了測試平臺的搭建方案，并對氣體供給系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、壓力調節(jié)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的主要功能控制單元進行選型。在硬件平臺的基礎上，利用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件平臺設計了測試系統(tǒng)的上位機軟件程序，給出各操作控制流程。所建

3、測試平臺是后續(xù)的實驗研究的基礎;
　　(2)在水冷型PEMFC測試平臺的基礎上，利用Ballard公司封裝的9ssl V4型電堆，對電堆溫度、空氣過量系數(shù)以及鮮有報道的氣體溫度和陰陽兩極壓力偏差這四方面的操作條件對PEMFC電堆穩(wěn)態(tài)輸出電壓和單體電池電壓均衡性的影響做了實際測試和數(shù)據(jù)分析，為本文PEMFC電堆動態(tài)加載時操作條件的設定提供依據(jù);
　　(3)在PEMFC電堆階躍加載動態(tài)響應研究的基礎上，對PEMFC電堆加載控制策

4、略進行了深入研究。模擬了PEMFC機車電堆的加載策略，分析了其加載過程中單體電池電壓均衡性變化的具體原因，并在此基礎上著重分析了加載頻率和加載幅值對單體電池電壓均衡性的影響，提出了一種PEMFC電堆CFCA加載控制策略，給出了一種對電壓均衡控制較好的加載控制方式，為電堆實際工作狀態(tài)中電流加載控制提供參考依據(jù);
　　(4)針對PEMFC電堆加載過程中空氣的供給問題，通過實測數(shù)據(jù)擬合出了單體電池電壓均衡性較優(yōu)條件下的電堆電流與空氣過量

5、系數(shù)的關系，并將該空氣過量系數(shù)函數(shù)λ=f（I)作為調節(jié)電堆加載過程中的空氣流量及電流加載速度的計算依據(jù)。該策略可以在保持電堆加載速度的前提下，顯著改善電堆單體電池電壓均衡性表現(xiàn)。
　　(5)針對傳統(tǒng)溫度控制策略在控制過程中出現(xiàn)的響應速度較慢，控制精度低等問題，結合電堆動態(tài)加載過程中對溫度控制的要求，提出了一種通過控制電堆冷卻水入口壓力控制循環(huán)水流速的改進溫度控制策略，實現(xiàn)了對循環(huán)水泵和散熱器風扇的解耦控制，并可以在電堆電流大幅加載

6、時使電堆溫度控制快速響應，維持電堆內部的溫度狀態(tài)，避免出現(xiàn)電堆內部的短時高溫，從而保證電堆的性能和壽命。
　　(6)針對PEMFC電堆啟停機過程中使用恒定輔助負載時，會出現(xiàn)單體電池“氧饑餓”現(xiàn)象或殘余氣體分布不均的情況，分別提出了計及電壓均衡的PEMFC電堆啟動策略和停機策略。通過動態(tài)調節(jié)PEMFC電堆啟停過程中輔助負載的大小，在顯著提升單體電池電壓均衡性的同時，有效的避免啟動過程中“氧饑餓”現(xiàn)象，縮短了單體電池處于高電位的時間，

7、并可以使停機狀態(tài)下的單體電池處于一種較為均衡的低電壓狀態(tài)，很好的避免了停機過程中殘余氣體消耗不均勻的現(xiàn)象，有效的避免氫-空界面的生成。
　　(7)利用PEMFC機車電堆加載數(shù)據(jù)及客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試標準這兩種實際工況，對所建水冷型PEMFC電堆測試平臺和提出的相關控制策略進行綜合測試和驗證。重點分析了CFCA加載控制策略在電堆加載過程中對電堆單體電池電壓均衡性的控制效果，以及提出的改進溫度控制策略在電堆負載動態(tài)變化時的性能響