馬曉軍， 陳曉峰

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072; 2. 裝甲兵工程學院學員四旅， 北京 100072)

基于模糊模式的質(zhì)子交換膜燃料電池水管理控制

馬曉軍1， 陳曉峰2

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072; 2. 裝甲兵工程學院學員四旅， 北京 100072)

針對質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)內(nèi)部水的產(chǎn)生和去向，給出了實現(xiàn)濕度控制的平衡公式。受測量精度及環(huán)境等復雜因素的影響，采用普通控制方法難以實現(xiàn)精確控制，為此，采用基于模糊模式的控制方法對PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部濕度進行控制，解決了系統(tǒng)控制耦合性問題，實現(xiàn)了不同功率下系統(tǒng)內(nèi)部水平衡，并通過實驗驗證了該控制方法的合理性。

質(zhì)子交換膜燃料電池；水管理；模糊模式控制；風冷式

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以氫氣和氧氣為燃料，可以在常溫、常壓下工作，具有低溫快速啟動的特點。由于該電池不使用腐蝕性液態(tài)電解質(zhì)，因此其可以在任何方位、任何角度運行[1]。同時，由于該電池具有噪聲低、無污染、效率高等特點，其在燃料電池汽車、小型電站、備用電源等領域得到了廣泛應用[2-3]。

PEMFC的反應狀態(tài)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)、燃料供應量及內(nèi)部環(huán)境等多種因素的影響，為了使PEMFC系統(tǒng)達到高效率，水管理至關重要。由于受傳感器的限制，燃料電池內(nèi)部的水分含量無法直接測量，同時受外部環(huán)境和反應物的影響，每次測量的結(jié)果不盡相同，因此采用普通的控制方法難以實現(xiàn)精確測量。

為此，本文以3 kW PEMFC系統(tǒng)為研究對象，采用模糊邏輯控制理論對其內(nèi)部水管理系統(tǒng)控制進行研究，通過大量實驗和經(jīng)驗總結(jié)出模糊規(guī)則，建立了基于不同反應電流的多模式模糊控制系統(tǒng)。

1 PEMFC水管理系統(tǒng)

PEMFC系統(tǒng)工作狀態(tài)與內(nèi)部水分含量有關，通常電堆內(nèi)部濕度越高，攜帶H+的能力越強，電池發(fā)電性能越好,但電堆內(nèi)部濕度過高會引起積水，從而堵塞反應通道；同時,水分的冷卻作用與溫度控制密切相關：這些都是水管理系統(tǒng)分析和控制的范圍[4]。

1.1 PEMFC內(nèi)部水遷移

PEMFC內(nèi)部水包含反應生成的水和氣體燃料攜帶的水，以氣態(tài)和液態(tài)形式存在，當水蒸氣分壓超過該環(huán)境下飽和蒸汽壓時，將以液態(tài)形式存在[5],其水遷移過程如圖1所示。空氣燃料攜帶水進入空氣通道，如A所示；氫氣燃料電離出的H+透過交換膜與氧氣發(fā)生反應，在陰極生成水，部分水在陰極通過蒸發(fā)移出體系，到達空氣通道，如B所示，當陰極含水量高時，水將反擴散至陽極[6-7]，如E所示；空氣通道的部分水以蒸汽形式隨反應后的空氣排出，如C所示，部分水以液態(tài)形式排出，如D所示；隨氫氣燃料進入和排出的水分別如F、G所示。

圖1 PEMFC內(nèi)部水遷移過程

1.2 濕度控制手段

系統(tǒng)反應生成的水在陰極側(cè)產(chǎn)生，空氣通道的空氣可以帶走多余的水，調(diào)節(jié)電堆內(nèi)部的濕度。小型PEMFC在合適的溫度和空氣流量下，可以在不進行額外加濕的情況下正常運行[8],并保證電堆過干現(xiàn)象不會出現(xiàn)。氫氣通道出口通過整流罩與干燥的氫氣并聯(lián)進入通道入口，氫氣中攜帶水構(gòu)成循環(huán)。

這里的濕度為相對濕度H，表達式為

H=Pw/Psat，

(1)

式中：Pw為水蒸氣分壓；Psat為水蒸氣的飽和蒸汽壓，溫度越高，飽和蒸汽壓值越大。

本文采用控制空氣通道風速的方式來調(diào)節(jié)電堆內(nèi)部濕度，當內(nèi)部過干或過濕時，利用氫氣通道的閥門轉(zhuǎn)換和溫度的控制來對濕度進行輔助控制。

1.3 濕度控制原理

為保證電堆內(nèi)部濕度環(huán)境的穩(wěn)定，本文采取保持動態(tài)水平衡的控制原則，亦即使某一瞬時時刻生成的水和排出的水相平衡，表達式為

(2)

(3)

式中：i為反應電流。

反應通道出口、入口的相對濕度Hwout、Hwin可以通過傳感器測量得到，水的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量和分壓乘積成正比，依式(1)可得出

(4)

(5)

式中：α為質(zhì)量系數(shù)；Psatout、Psatin分別為當前溫度下反應通道出口、入口的飽和蒸汽壓；Vout、Vin分別為反應通道出口、入口的空氣流量；S為反應通道出口、入口的橫截面積；vout、vin分別為反應通道出口、入口的風速，由于反應中消耗了空氣中的氧氣，同時反應生成水分并從空氣通道排出，因此兩者有所不同。假設氣體為理想氣體，vout、vin之比可以用氣體分子的物質(zhì)的量之比近似表示，即

(6)

式中：α2為氣體體積的溫度補償系數(shù)；nwin為空氣通道入口處空氣中水分的物質(zhì)的量；

nO2use=I/(4F)，

(7)

為每產(chǎn)生4個電子所消耗氧氣的物質(zhì)的量，其中I為電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)；

nwact=I/(2F)，

(8)

為全部從空氣出口排出的反應生成水分的物質(zhì)的量；nair為空氣入口處空氣的物質(zhì)的量，雖然空氣中氧氣占空氣總量的21%，而實際上進入空氣通道的氧氣并未完全反應，取空氣計量數(shù)λ[10]，可表示為

(9)

(10)

把式(3)、(4)、(5)、(10)代入式(2)并進行整理，可以得出反應通道入口的理論值，即

(11)

式中：k1=9.34×10-8/(αS);Δm*=Δm/(αS)；

i、Hwin、Hwout可通過傳感器測量得到；在不同溫度下，Psatin、Psatout可通過查表得到。從式(11)可以看出：通過調(diào)節(jié)反應入口風速的方式，可以實現(xiàn)電堆內(nèi)部濕度平衡。

實際上，在電堆反應過程中，內(nèi)部濕度并不是均勻的，在內(nèi)部水分生成速度較高時，接近空氣出口的濕度要高于入口濕度。內(nèi)部流向的水分也難以定量計算，電堆內(nèi)部局部濕度飽和會產(chǎn)生液態(tài)水，從空氣通道側(cè)孔排出；同時由于質(zhì)子交換膜的水分反滲透，部分水分從氫氣通道流出：這些均導致了水分誤差Δm*的產(chǎn)生，其值無法估量。

由于誤差Δm*的引入，以及受空氣通道出口、入口的濕度傳感器測量精度的限制，根據(jù)式(2)推導出的空氣通道入口風速偏差很大，很難給出精確的反應風機控制量。因此對于濕度的調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的控制方式很難達到精確控制效果。

目前，對PEMFC的控制理論和策略尚處于探索階段，由于PEMFC反應特性受多方面因素的影響，測量精度有限，系統(tǒng)模型難以建立，為保證PEMFC的高性能、高可靠性長期運行，必須設計出適用于該電池且對模型依賴性弱、通用性強的控制算法。

2 多模式模糊控制系統(tǒng)

2.1 多模式模糊控制系統(tǒng)方案

PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，反應狀態(tài)多變，具有多輸入、多輸出的非線性特性，同時輸入量之間存在強耦合關系，具有不確定因素多和隨機干擾大的特性[11]。針對以上特點，筆者提出一種多模式模糊控制方法，對PEMFC在不同工作狀態(tài)下采用不同控制模式。多模式模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

想好之后，易非就讓出了主臥，向南和李倩倩搬進去了，一開始的時候，李倩倩還一個勁地說：“謝謝你哦，姐！我和向南以后一定會對你好的！一定會孝敬媽的！”易非一笑了之。向南也說：“姐……”易非揮了揮手，讓他把要說的客套話咽了回去。

圖2 多模式模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電堆運行狀態(tài)，設定不同的模糊控制模式，并對電池處于極端工作狀態(tài)采取保護及恢復模式；對PEMFC眾多輸入量進行記錄，通過大量實驗和經(jīng)驗，選取與電堆內(nèi)部濕度變化關系較大的量作為輸入，通過模糊控制器調(diào)節(jié)控制量，并通過閉環(huán)反饋不斷調(diào)整模糊控制輸出。

2.2 模糊模式控制

在設計PEMFC系統(tǒng)的模糊控制器時，首先要確定決策過程的控制量，本文選取空氣出口濕度G、空氣進氣口濕度K作為系統(tǒng)輸入，空氣通道入口風速M為控制器輸出量。電堆反應生成的水是影響電堆濕度的重要因素，水分生成速率和電流大小成正比。同時，通過實驗得出：在不同的輸出電流等級下，對反應風速需求差別較大。其表達式為[9]

v=8.29×10-8Pe/Vc，

(12)

式中：v為反應風速；Pe為燃料電池輸出功率；Vc為燃料電池端電壓。

根據(jù)式(12)可知：輸出電流越大，所需反應風速(即氧氣供應量)越大。為滿足突加負載瞬間的輸出能力，通常氧氣的供應量為需求量的2～3倍[10]。本文選取反應電流作為模糊控制模式的輸入變量N。對于不同工作電流之間的控制模式，切換響應要做到實時。

空氣出口濕度G是反映電堆內(nèi)部濕度狀態(tài)的最直接因素，可以近似表示為電堆濕度輸出量u(t)，r(t)為濕度給定值，濕度偏移量e(t)表示為

e(t)=r(t)-u(t)。

(13)

對系統(tǒng)變量進行模糊化，把濕度偏移量分為“極干”、“干”、“略干”、“正?！薄ⅰ奥詽瘛?、“濕”、“極濕”7個子集，分別數(shù)字化為-3，-2，-1，0，1，2，3。反應通道入口風速分為13個子集，隸屬度函數(shù)選擇三角形，圖3為空氣出口濕度隸屬度函數(shù)。同理，建立其他輸入、輸出量的隸屬度函數(shù)。

圖3 空氣出口濕度隸屬度函數(shù)

根據(jù)負載電流的不同等級，設定10個模式，每個模式下控制器的2個輸入G、K分別為7個子集，共計490個規(guī)則，規(guī)則如下：

CaseN=0，IfG=-3 andK=-3，ThenM=3；

…

CaseN=0， IfG=3 andK=3, ThenM=0；

…

CaseN=10， IfG=-3 andK=-3, ThenM=13；

…

CaseN=10， IfG=3 andK=3, ThenM=7。

由于負載變化或反應環(huán)境突變，系統(tǒng)將長時間在極端狀態(tài)(過干或過濕)下運行，因此需轉(zhuǎn)入保護模式，切斷負載并對電堆進行活化恢復處理[12-14]。

一般在工作中， PEMFC內(nèi)部濕度很難保證都在100%以下，特別是在大電流工作狀態(tài)下，局部濕度飽和會產(chǎn)生液態(tài)水，從而堵塞排氣通道，此時反應風機風速應處于最大，吹出電堆內(nèi)部積水。排水過程要在控制模式中體現(xiàn)，即

(14)

式中：v*為模糊給定輸出M；v為模糊控制實際風速；vH為排水風速。

此時，在1個控制周期內(nèi)，M作為模糊模式的輸入，模糊控制下的反應風機風速表達式為

(15)

由經(jīng)驗得出：電堆濕度保持在正常范圍內(nèi)工作，輸出電壓基本沒有變化。電堆內(nèi)部的濕度變化過程緩慢，在1個控制周期內(nèi)(10 s)，反應風機風速不是恒定的模糊輸出值，而是分段模糊控制模式。

2.3 實驗分析

實驗以3 kW PEMFC為對象，采用模糊模式控制方法，系統(tǒng)運行30 min，其電堆動態(tài)控制如圖4所示。系統(tǒng)功率分別在額定功率300、1 500、2 700 W處運行，可以看出：隨著功率的變化，空氣通道出口濕度基本保持在80%～90%之間，運行過程平穩(wěn)，說明該控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對電堆內(nèi)部的有效控制。

圖4 電堆動態(tài)控制

3 結(jié)論

本文從應用角度出發(fā)，分析了PEMFC水分轉(zhuǎn)移特性，給出了濕度平衡控制公式，提出了多模式模糊控制方法，對PEMFC負載變化、濕度變化及緊急情況分別采用不同控制模式，擺脫了模型的限制，解決了PEMFC水管理系統(tǒng)的控制問題，并通過實驗證明了該方法的可行性。該控制方法為控制器的設計提供了條件，對實現(xiàn)PEMFC系統(tǒng)產(chǎn)品化和智能化升級有一定的現(xiàn)實意義。

[1] 周蘇,張傳升,陳鳳翔.車用高壓質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報, 2011,23(7):1469-1476.

[2] 孫志英, 劉偉峰, 王其武, 等. 燃料電池汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 信息記錄材料, 2013, 14(6): 53-56.

[3] 侯俠, 任立鵬. 燃料電池的發(fā)展趨勢[J]. 云南化工,2011, 38(2): 34-36.

[4] 孫世良, 鄭立秋, 孫世梅. 熱管技術應用于燃料電池熱管理系統(tǒng)的可行性研究[J]. 吉林建筑工程學院學報,2011, 28(2): 40-42.

[5] Sridhar P, Perumal R, Rajalakshmi N, et al.Humidification Studies on Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell[J]. Journal of Power Sources,2002,101(1):72-78.

[6] Choi K H, Peck D H,Kin C S, et al. Water Transport in Polymer Membrances for PEMFC[J]. Journal of Power Source,2000,86(1/2):197-201.

[7] Lua Z,Kandlikar S G, Rath C, et al. Water Management Studies in PEM Fuel Cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(8):3445-3456.

[8] 劉旭,白焰,劉鶴.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的控制策略綜述[J].化工自動化及儀表,2012,39(4):439-443.

[9] Gou B, Na W K, Diong B.燃料電池模擬、控制和應用[M].劉通,譯.北京：機械工程出版社,2011:85-90.

[10] 黃敏, 李興虎,李欣,等.質(zhì)子交換膜燃料電池堆電氣性能試驗研究[J].電源技術,2007,5(5):361-363.

[11] 田玉冬，朱新堅，曹廣益.基于神經(jīng)網(wǎng)絡辨識的質(zhì)子交換膜燃料電池模糊控制[C]∥韓志剛，王福利，張嗣瀛. 2005中國控制與決策學術年會論文集.沈陽：東北大學出版社，2005：1116-1120.

[12] Qi Z G, Arthur K F. Quick and Effective Activation of Proton-exchange Membrance Fuel Cell[J]. Journal of Power Sources,2003,114:21-31.

[13] Xu Z Q, Qi Z G, Arthur K F. Activation of Proton-exchange Membrance Fuel Cells via CO Oxidative Stripping[J]. Journal of Power Sources, 2006,156(2):281-283.

[14] Nguyen T V, White R E. A Water and Heat Management Model for Proton Exchange Membrance Fuel Cells[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1993,140(6):1218-1225.

(責任編輯:尚彩娟)

Water Management Control of PEMFC Based on Fuzzy Mode

MA Xiao-jun1, CHEN Xiao-feng2

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 2. Brigade No.4, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China)

Aiming at water generation and flow direction of Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC), a balance expression of humidity control is proposed. Because of the influence of measure precision, environment and many other complicated factors, using common control methods can’t achieve precise control. This paper regulates humidity of PEMFC system basing on fuzzy mode control method, solves the coupling and uncertainty problem of system control, achieves water balance in different power level, and validates the feasibility of this control method by experiments.

PEMFC; water management; fuzzy mode control; air-cooled

1672-1497(2015)04-0076-04

2015-03-27

馬曉軍(1963-)，男，教授，博士。

TM911.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.015