质子交换膜燃料电池系统原理分析

　1 引言

　　质子交换膜燃料电池已经大规模的应用在汽车，航天等等领域，因此对其建模，并根据模型性能评估，控制系统设计就显得尤为重要。国际上已有ADVISOR[1] ，特定于燃料电池在汽车上模拟。学术界已经提出各种各样的模型，而此类模型大多只模拟燃料电池的部分特性。为了能在工程上使用燃料电池的模型来达到设计控制器以及评估燃料电池，需要一种面向控制的燃料电池模型，Jay T.pukruspan 在[2]中提出一种面向控制的燃料电池模型，全面地描述了燃料电池的特性。本文集于此模型，更深入的将燃料电池的各个部分模块化，再基于Matlab/Simulink 和Matlab 本身强大的界面编程能力，设计出了一套燃料电池模拟器，用户可以在GUI 界面中进行燃料电池系统组合，模拟，辨识以及设计控制器。

　　2 质子交换膜燃料电池的结构及其面向控制的模型

　　

　　 图1：燃料电池系统的结构图

　　2.1 燃料电池的结构

　　燃料电池系统主要包括燃料电池反应堆，压缩机，流量控制器，加热器，散热器，加湿器等，各种不同的燃料电池系统的组成有所区别，图1 的结构是复杂系统实验室的燃料电池系统的结构图。将燃料电池系统的各个部件模块化，用户就可以选择所需要的部件，组成合适的燃料电池系统。

　　2.2 燃料电池的模型

　　本文模拟器所使用的模型是基于一种面向控制的质子交换膜的燃料电池模型[2]，下面就对该模型作一些简单的介绍。下面介绍的是电堆的模型。

电流Ist 则和电池单元电流相等。电流密度定义为单位电池活性面积的电流，表示为i fc = Ist / Afc 。在所有的电池单元都是同一的假设下，电池堆的电压可以表示为vst = n × v fc v fc =E . vact . vohm . vconc （1）

　　开环电压E 通过反应物和产物之间的能量平衡以及法拉第常数计算而得：

　　

　　活化作用过电压和电流密度之间的关系可由Tafel 等式描述，近似为：

　

　　则vohm 和电池堆的电流成正比：vohm = i . Rohm （4）

　　阻抗Rohm 和交换膜的湿度以及电池堆的温度紧密相关。它和交换膜的厚度tm 成正比。vconc 的值可以由下列式子近似给出：

vconc =i(c2 i )c3 imax （7） 这里c2, c3和imax 是和温度和反应物的压力相关的常数，可以由经验来确定。由上面的系列公式可以看出：燃料电池的电压输出受到电堆中膜的湿度，反应气体的温度，以及压力的影响。根据这个思路，可以将燃料电池的各个部件设计为输入为前端的这些影响因素，输出同样为这些影响因素。至于其他部件的建模可以参考[2]，[3]。3 模拟器的设计与实现为了实现通用模拟器这个最终的目标，模拟器的设计就必须要包含能够达到通用化所必须要有的一些特点，如模块化设计，内置在线辨识算法，支持部件库这些特点。

　　3.1 模拟器的设计与结构

　　模块化首先要分析一个完整的燃料电池包括的模块，根据我们的燃料电池（PEM）可将其分为储氢系统，空气压缩系统，加湿器[6]，温度控制系统，电堆。将这些部件的模型单独设计，然后组合到一起，他们之间的耦合问题根据一些文献是很复杂的[4][5] ，如空气的流量对于加湿器的湿度的影响[6]，温度对于通过加湿器的气流的湿度饱和度的影响等等，但为了实现模块化的目标，我们必须将其简化，而且这种简化在模拟器[1]中也都存在。

　　简化的思路是将前端系统的输出作为后段系统的输入，中间一些耦合就被简化掉，周围环境温度的影响如气流在管道中传输，由于受环境影响，温度降低，湿度发生改变等等。这些影响将其忽略掉。加湿器，压缩机等等就作为一个输入输出模块。从上到下的设计，模拟器的框图如下的结构。共有九个模块，其中八个模块为燃料电池的组成部分，控制器是根据模型设计的不同的控制器，在模型比较精确的情况下可以提供模拟的功能，为调试各种算法提供一种快捷，安全，经济的途径。

　　模拟器要调用matlab/simulink 实现如下的功能：

GUI 界面；燃料电池部件的选择；导入试验数据自辨识（需要定义所导入的数据格式）； 算法的导入以及接口问题

　　以上的问题通过直接使用matlab 的GUI 编程功能不难实现，需要做的是设计一个统一的界面与接口。为了实现以上功能，我们可以将simulator 的操作过程定义如下：

　　

　　 图表2 模拟器功能构图

　　3.2 模拟器的实现

　　根据设计需求，模拟器需要包括两个方面，第一个是基于Matlab 的GUI 模拟器软件，可供用户选择，模拟，设计控制算法。第二个是燃料电池的部件库，以供用户选择，组合成适合的燃料电池系统，在本文建立的库中针对三种质子交换膜燃料电池系统建立了部件，同时用户还可以自行添加部件。第二个是基于Matlab 的GUI 模拟器软件，可供用户选择，模拟，设计控制算法。

　　

　　 图表3 模拟器的实现

　　上图是仿真器软件先从Matlab/Simulink 选择合适的组件包括在结构章节中所叙述的几大模块，然后进行仿真得到的结果。在图三的左边是仿真之后的曲线，左边是一些参数框，可以控制要显示的曲线，曲线的参数，以及将仿真的曲线和实际的曲线进行对比。

　　利用Matlab 的toolbox 可添加用户自定义模型的机理，可以将用户自建的模块放到Toolbox 的库中，在以后实验的时候，通过上面的软件组合，可以自动生成Simulink 模拟系统，从而进行仿真。

　　4 结论

　　燃料电池是最近很活跃的研究领域，很多的理论以及工具不断地出现。本文借助Matlab 的强大能力，将一种燃料电池模型各个部件模块化，成功实现了一种燃料电池模拟器软件，根据需要，可以组合适当的燃料电池系统，再通过友好的GUI 界面，用户可以很方便的建立模型，模拟以及设计控制器。

　　本文创新点：深入将一种面向控制的模型模块化，可以自由组合各种适当的部件，再基于理论设计了一套模拟器软件，为工程以及科学研究提供一种易用但强大的工具。项目价值：15 万元