Study on Adaptive Control of PEMFC System

Abstract

It discussed the modeling of the PEMFC, air supply system and hydrogen supply system. Then the discrete-time model reference adaptive control (MRAC) is applied in air supply system, and PID control in hydrogen supply system. By adjusting the supply mass of oxygen and hydrogen, the output voltage and the pressure of hydrogen and oxygen could be satisfied with the system demands. The results of simulation show that the control system has good dynamic performance, is satisfied with the control demands. Keywords: proton exchange membrane fuel cell(PEMFC);air supply system; hydrogen supply system;model reference adaptive control (MRAC) 燃料电池是高效、环保、可再生的新能源，在各个领 域有广泛的应用。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能 量密度高、操作温度低、启动速度快和工作寿命长的优 点，适用于可移动动力源、电动车以及分散电站等很多领 域。 独立的燃料电池堆是不能直接应用于实际系统的，它 必须与空气供给系统、氢气供给系统、水热管理系统及其 控制系统等组成燃料电池系统，才能正常工作。以往国内 外对燃料电池的研究还主要集中在基础材料的研究，随着 燃料电池技术的发展，对其控制的研究逐渐增多，各种先 进控制策略在燃料电池及其辅助系统中的应用也逐渐增 加。文献[1-3]是对燃料电池及其辅助系统的建模与控制的 研究，文献[4-6]是神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制在 燃料电池建模与控制中的应用。本文从实际系统出发，综 合考虑了燃料电池及其空气和氢气供给系统，将模型参考 自适应控制应用于燃料电池的空气进给系统，PID 控制应 用于氢气供给系统，通过对空气和氢气进气量的调节，实 现对燃料电池输出电压和阴阳极压力差的控制，这在目前 的文献中还不多见。文章分析了燃料电池及其进气系统的 数学模型，根据系统工作要求，提出控制方案，仿真实验 研究证明了该方法可行，控制效果较好。 I. PEMFC 数学模型 燃料电池实质上是电化学反应发生器，它的反应机理 是将燃料的化学能不经燃烧而直接转换为电能。氢氧燃料 电池通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。PEMFC 在 反应生成液态水时的理想标准电势为 1.229V，由于不可逆 损失，实际电池电势随平衡电势的降低而下降，不可逆损 失主要由三种极化导致：活化极化、欧姆极化、浓差极 化。这些极化损失会导致燃料电池输出电压小于理想电 势。根据 J.C.Amphlett 和 J.Kim 建立的 PEMFC 输出特性经 验公式，单电池的输出电压基本表达式可以表示为式 (1)。 con ohmic act nernst cell