質(zhì)子交換膜燃料電池陰陽極恒壓差控制策略研究

齊鯤鵬, 陳超帆, Ali Hassan

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028)

近年來,質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)因其突出的性能優(yōu)勢,成為可替代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇之一[1]。研究表明,PEMFC陽極側(cè)氫氣壓力適當(dāng)高于其陰極側(cè)氧氣壓力并保持恒定的壓力差,可提高其輸出功率[2]。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)作為燃料電池系統(tǒng)的核心,其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)燃料電池的輸出功率、使用壽命、能源效率等均有很大影響[3]。

許多學(xué)者針對(duì)陽極側(cè)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-9],在陰陽極壓差控制策略研究方面,在PID控制的基礎(chǔ)上增加前饋控制策略實(shí)現(xiàn)恒定壓差控制[10-11],但上述研究均為簡化模型控制策略設(shè)計(jì),且由于燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載頻繁變化,若使用傳統(tǒng)PI/PID控制器對(duì)壓差進(jìn)行修正,會(huì)存在超調(diào)量大、參數(shù)整定困難等問題。

本文采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)控制陽極側(cè)壓力跟隨陰極側(cè)壓力,可解決燃料電池供氣系統(tǒng)所存在的動(dòng)態(tài)問題,以減少壓力調(diào)整過程中產(chǎn)生的流量波動(dòng),進(jìn)而提升電堆壽命。

1 燃料電池陰陽極模型構(gòu)建

1.1 燃料電池系統(tǒng)組成

PEMFC系統(tǒng)依據(jù)其組成結(jié)構(gòu)可劃分為3個(gè)子系統(tǒng):陽極氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、陰極氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)、電堆子系統(tǒng)。PEMFC系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 PEMFC系統(tǒng)組成

為提升燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型控制效果,本文對(duì)模型提出如下假設(shè):①高壓儲(chǔ)氫瓶提供壓力穩(wěn)定且純凈的氫氣;②系統(tǒng)內(nèi)所有氣體均為理想氣體;③氣體在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)無熱量損耗。

1.2 陰極流道模型構(gòu)建

在電化學(xué)反應(yīng)過程中,氧氣供給系統(tǒng)為滿足燃料電池工況需求,需不斷向陰極流道內(nèi)輸送混合氣體(包括氧氣、氮?dú)饧八魵?,其中氧氣經(jīng)雙極板流道層進(jìn)入膜電極,與由陽極側(cè)跨膜傳遞的氫離子及外電路傳送的電子,在催化劑層發(fā)生還原反應(yīng),如式(1)所示:

H++4e-+O2→H2O

(1)

本文假設(shè)流體內(nèi)部各組分在流場內(nèi)部均勻分布,陰極流道模型展現(xiàn)了陰極內(nèi)物質(zhì)的流動(dòng)特性以及電化學(xué)反應(yīng)過程。陰極內(nèi)主要?dú)怏w成分為氧氣、氮?dú)饧八魵?其質(zhì)量守恒方程如下:

dmO2/dt=WO2,in-WO2,out-WO2,rec

(2)

dmN2/dt=WN2,in-WN2,out

(3)

dmva/dt=Wva,in+Wva,mem+Wva,gen-Wva,out

(4)

式中:WO2,in、WO2,out分別為進(jìn)入陰極入口和出口處氧氣質(zhì)量流量;Wva,in為進(jìn)堆水蒸氣質(zhì)量流量;WO2,rec為燃料電池反應(yīng)消耗氧氣流量;WN2,in、WN2,out分別為進(jìn)入陰極入口和出口處氮?dú)赓|(zhì)量流量;Wva,gen為陰極流場內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)生成的水蒸氣質(zhì)量流量;Wva,mem為陽極側(cè)水蒸氣通過質(zhì)子交換膜傳遞至陰極側(cè)水蒸氣質(zhì)量流量。

陰極側(cè)電堆進(jìn)氣流量是由空壓機(jī)根據(jù)當(dāng)前工況提供,經(jīng)中冷器、加濕器進(jìn)行降溫、增濕后輸送至陰極電堆進(jìn)氣口。入口處氧氣質(zhì)量流量WO2,in可表示為

(5)

式中:xO2為干空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù),取值為0.21;MO2為氧氣摩爾質(zhì)量,取值為32 g/mol;MN2為氮?dú)饽栙|(zhì)量,取值為28 g/mol;ωca,in為進(jìn)堆氣體濕度比,可由各組分氣體分壓進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)原理,其氧氣消耗量WO2,rec為

WO2,rec=nIstMO2/(4F)

(6)

式中:n為燃料電池電堆單電池?cái)?shù)目,取值為400;F為法拉第常數(shù),取值為96 485 C/mol;Ist為電堆電流。

1.3 陽極流道模型構(gòu)建

陽極側(cè)入口處氣體由陽極氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)提供,氫氣經(jīng)雙極板流道層輸入后進(jìn)入膜電極,在催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),生成氫離子及電子,其中氫離子經(jīng)膜電極移向陰極,電子則流向外電路,如式(7)所示:

H2→2H++4e-

(7)

針對(duì)陽極流場內(nèi)部組分變化及壓力生成機(jī)理進(jìn)行行為分析并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。陽極模型依據(jù)質(zhì)量守恒定律及流體力學(xué)中相關(guān)概念進(jìn)行模型構(gòu)建,因氫氣為高壓儲(chǔ)氫瓶輸出的純凈氫氣,故陽極中氣體成分主要為氫氣和水蒸氣。依據(jù)質(zhì)量守恒定律,氫氣質(zhì)量守恒方程如下:

dmH2/dt=WH2,in-WH2,out-WH2,rec

(8)

式中:WH2,in、WH2,out分別為進(jìn)入陽極入口和出口處的氫氣質(zhì)量流量;WH2,rec為燃料電池反應(yīng)消耗氫氣流量。

陽極消耗氫氣流量同電堆電流呈正相關(guān):

WH2,rec=nIstMH2/(2F)

(9)

式中:MH2為氫氣摩爾質(zhì)量,取值為2 g/mol;n為燃料電池電堆單電池?cái)?shù)目,取值為400;F為法拉第常數(shù),取值為96 485 C/mol;Ist為電堆電流。

2 陰陽極恒壓差控制策略

2.1 陰極側(cè)流量控制建模

燃料電池在運(yùn)行過程中,空壓機(jī)需快速、穩(wěn)定地向燃料電池系統(tǒng)提供空氣,但由于控制系統(tǒng)的時(shí)滯性,為應(yīng)對(duì)負(fù)載突變等使用工況,陰極供氣系統(tǒng)需向電堆提供過量氧氣以防止因氧氣缺乏(氧饑餓)而無法滿足當(dāng)前系統(tǒng)變載需求。

為衡量輸入氧氣過量程度,將陰極流道入口處氧氣流量與當(dāng)前工況下所需氧氣之比作為衡量指標(biāo),簡稱為過氧比,如式(10):

λO2=WO2,in/WO2,rec

(10)

本文選擇使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。以目標(biāo)流量值與實(shí)際進(jìn)堆氧氣流量差值為控制器輸入量,輸出值為空壓機(jī)控制信號(hào),控制方程如下:

eca=λO2×WO2,rec-WO2,in

(11)

(12)

式中:λO2為電堆目標(biāo)過氧比,取值為2;kp、ki、kd分別為RBF-PID控制器中的比例增益、積分增益、微分增益,并由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 陰極過氧比控制結(jié)構(gòu)

2.2 自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)

ANFIS作為一種多層前饋控制策略,適用于解決復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題[12]。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供學(xué)習(xí)算法以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),模糊邏輯推理提供模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù),使之同時(shí)兼有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力與模糊規(guī)則的推理能力,并且模糊規(guī)則可有效消除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到權(quán)值但無法解釋這一缺點(diǎn)[13]。本文所使用的ANFIS的結(jié)構(gòu)簡化圖如圖3所示。

圖3 ANFIS組成結(jié)構(gòu)

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可劃分為5層,其中1至3層為前件規(guī)則,其余均為后件規(guī)則,其中第一層和第五層參數(shù)為學(xué)習(xí)參數(shù)。

1) 第一層為模糊化層。輸入值經(jīng)隸屬度函數(shù)計(jì)算后,即可得到各個(gè)輸入量所對(duì)應(yīng)的隸屬度值:

(13)

(14)

2) 第二層為模糊規(guī)則層。將模糊化層輸入至該節(jié)點(diǎn)的不同隸屬度值進(jìn)行相乘,所得到的就是該條規(guī)則的適用程度。

3) 第三層為標(biāo)準(zhǔn)化層。通過計(jì)算得到某節(jié)點(diǎn)輸入的適應(yīng)度值占總節(jié)點(diǎn)輸入適應(yīng)度的比重。

(15)

4) 第四層為去模糊化層。根據(jù)規(guī)則的差異,利用多項(xiàng)式對(duì)輸入至該層適應(yīng)度比重值進(jìn)行計(jì)算,得到輸出值:

(16)

5) 第五層為求和層。通過對(duì)去模糊化層各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出值進(jìn)行累加求和,即可得到ANFIS控制器的輸出值:

(17)

2.3 基于ANFIS的氫氣流量控制器建模

為改善氫氣壓力跟隨速度和超調(diào)量,本文建立兩輸入一輸出的ANFIS控制模型,將通過傳統(tǒng)PID控制的陰陽極壓力偏差ean、輸入電流Ist及PID控制器輸出流量信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù),通過其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和模糊控制推理能力對(duì)壓力偏差進(jìn)行辨識(shí);陽極進(jìn)氣流量WH2,in作為輸出數(shù)據(jù),控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中陰陽極恒壓差PID控制策略控制方程如下:

圖4 氫氣流量控制器結(jié)構(gòu)圖

ean=Pan-Pca

(18)

(19)

在ANFIS訓(xùn)練過程中,首先將輸入、輸出數(shù)據(jù)同時(shí)作為Sugeno型模糊邏輯控制器參數(shù),將Ist及ean根據(jù)工況不同劃分為6部分,將非模糊量輸入值映射至由高斯隸屬度函數(shù),通過模糊語言中的“If-then”規(guī)則表征輸入特性,結(jié)合壓力偏差ean修正模糊輸出,達(dá)到控制目的,生成模糊文件。具體控制流程如圖5所示。

圖5 陽極氫氣流量ANFIS訓(xùn)練流程

經(jīng)訓(xùn)練后得到基于ANFIS的陰陽極恒壓差控制器,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于ANFIS的氫氣流量控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果及分析

本文通過MATLAB/Simulink建立燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型,與傳統(tǒng)PID、模糊自適應(yīng)PID、RBF-PID控制策略進(jìn)行對(duì)比,證實(shí)ANFIS控制策略的有效性;陰極控制策略方面,采用RBF-PID控制空壓機(jī)輸入電壓,具體模型如圖7所示。

(b) 基于Simulink搭建的陰陽極壓力差控制器及電堆模型圖7 基于Simulink搭建的燃料電池系統(tǒng)模型

3.1 測試工況設(shè)定

模型構(gòu)建所輸入的負(fù)載電流在傳統(tǒng)階躍負(fù)載電流的基礎(chǔ)上,增加了斜坡上升以及下降工況,在75 ～100 s時(shí),由175 A遞增至200 A;在175～200 s時(shí),由250 A遞減至200 A;200～225 s保持穩(wěn)定工況輸出,如圖8所示。

圖8 PEMFC負(fù)載電流

3.2 陰極側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析

陰極方面采用RBF-PID對(duì)空壓機(jī)電壓進(jìn)行控制,進(jìn)而達(dá)到減小過氧比誤差和保持陰極壓力穩(wěn)定的目的,過氧比變化如圖9所示。在變載時(shí)過氧比波動(dòng)最大為0.63,符合運(yùn)行要求。

圖9 陰極過氧比變化曲線

3.3 陽極側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析

陽極側(cè)壓力選擇跟隨陰極側(cè)壓力變化而改變,圖10～12分別為PID控制策略、Fuzzy-PID控制策略、RBF-PID控制策略與ANFIS控制的氫氣進(jìn)氣流量WH2,in對(duì)比。結(jié)果表明,在50 s、75 s時(shí)出現(xiàn)較大超調(diào),使用ANFIS控制的進(jìn)氣流量與PID、Fuzzy-PID、RBF-PID控制的進(jìn)氣流量相比,超調(diào)量分別下降了33%、27.45%、14.98%;在75 s時(shí),超調(diào)量下降均為35%左右。

圖10 ANFIS與PID流量控制對(duì)比

圖11 ANFIS與Fuzzy-PID流量控制對(duì)比

圖12 ANFIS與RBF-PID流量控制對(duì)比

陰陽極壓力輸出曲線如圖13所示,通過陰陽極壓力曲線分析可得,使用PID、Fuzzy-PID、RBF-PID控制存在壓力調(diào)節(jié)滯后現(xiàn)象,ANFIS控制策略可以有效加快陽極氫氣調(diào)節(jié)速度,實(shí)現(xiàn)陰陽極壓力快速平穩(wěn)控制。

圖13 陰陽極壓力輸出曲線

整個(gè)仿真過程中,陰陽極壓力差曲線如圖14所示,在工況階躍變化時(shí),使用ANFIS控制的陰陽極壓力誤差穩(wěn)定在20 kPa左右,壓力偏差值均小于1%。

圖14 ANFIS陰陽極動(dòng)態(tài)壓力差曲線

4 結(jié)束語

本文研究了PEMFC陽極供氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制問題。在負(fù)載電流突變的動(dòng)態(tài)工況下,仿真分析結(jié)論如下:

1) ANFIS控制策略可以顯著降低工況突變時(shí)流量超調(diào)量,使壓力偏差下降并減少膜兩側(cè)應(yīng)力大小,進(jìn)而提升燃料電池使用壽命。

2) ANFIS控制策略加快了陽極壓力調(diào)節(jié)速度及跟隨性能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽極壓力保持高于陰極壓力并能迅速跟隨陰極壓力變化的控制目標(biāo)。