PEM燃料电池系统的建模和控制器设计

Karthikeyan年代¹,Rathna Priya K²Ezhilarasi年代³

P。G的学生,电子和仪器工程部门,Valliammai工程学院,印度钦奈¹
助理教授,电子和仪器工程部门,Valliammai工程学院,印度钦奈²
助理教授,电子和仪器工程部门,Valliammai工程学院,印度钦奈³

文摘

燃料电池技术已经被确认为一种重要领域提供解决方案,满足增加可再生能源需求的问题。聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是常用的电力汽车。在这个项目中,质子交换膜燃料电池的建模。控制器使用比例积分和微分(PID)控制器。控制技术执行的控制优化输入电压的输出电压。使用MATLAB / Simulink软件获取控制参数。PID控制器设计,结果表明,PID控制策略可以显著提高系统的性能。

关键字

建模、PID控制、燃料电池、控制器设计

介绍

第一个燃料电池是由威廉爵士格罗夫建于1839年,律师和科学家。作为一个实用的燃料电池发电机直到1950年代才开始,当美国太空计划选择在核电反应堆和燃料电池更昂贵的太阳能。燃料电池提供电力的双子座航天器和阿波罗飞船和航天飞机的燃料电池提供电力和水。燃料电池是一种设备,将燃料的化学能转换成电能通过化学反应和氧或氧化剂。最常用的燃料,氢燃料电池。燃料电池发电可以持续只要输入提供。

电解液的PEM

燃料电池的电解质层是至关重要的正常工作。PEM燃料电池的燃料催化剂层,分为质子(氢离子)和电子。电子旅行到外部电路功率负载,和氢质子通过电解液,直到他们到达阴极与氧结合形成水。PEM燃料电池电解质必须符合以下要求为了使燃料电池正常工作,

1。高离子电导率。

2。现在一个适当的反应物的障碍。

3所示。化学和机械稳定。

4所示。电子导电率较低。

5。易于制造/可用性。

6。最好是低成本。

PEM的物理描述

标准的电解质材料目前用于PEM燃料电池是一种聚四氟乙烯共聚物和聚磺酰氟乙烯基醚。聚合物稳定的氧化和还原环境和具有较高的质子的电导率(0.2 s /厘米)。这些膜的厚度范围从50到175微米(mm)。protonconducting膜通常由一个PTFE-based聚合物骨干,磺酸组均附呈。质子导电膜适用于燃料电池应用H +,因为从SO3网站跳到SO3网站整个材料。H +膜的出现在另一边。这限制了PEM燃料电池的工作温度。全氟磺酸膜的SO3网站。每氟磺酸膜(交换树脂)、电解质等低细胞为100 - mm厚膜电阻的电压损失只有50 mV。

图1说明了电解质的化学结构。建模时聚合物电解质膜,通常认为积极的离子的浓度是固定的电中性,这意味着一个质子占据了每一个固定SO3−收费站点。

燃料电池建模

为了准确模型电解质,运输质量、电荷和能量必须包括在模型中。雷竞技网页版接触电阻和电极之间的电解质也可以是重要的,应该被纳入模型。

方程和变量用于创建一个模型的聚合物交换膜下面给出。

答:质量和物种保护

水和质子的质量守恒方程可以表示成

(1)

我是水,ci的摩尔浓度,倪是摩尔通量由于电渗透驱动力和对流。在稀释溶液、镍是由Nernst-Planck方程以及Nernst-Einstein关系,

(2)

嗯是混合速度和霁扩散通量。

DcH2O T是扩散系数,其中包括一个校正的温度和水分含量。表示在一个固定的坐标系统与干膜,

(3)

是水的活动,和D '(平方米/ s)是扩散系数测量在恒定温度下,在坐标移动肿胀的膜。

水的质量守恒可以表示为,

(4)

在混合速度由动量方程给出。

结合这与对流扩散通量变化导致的总摩尔氢质子通量,

(5)

b .动量方程

对于水的混合物和质子,假设是由动量方程的广义达西的关系,

(6)

嗯是混合速度,K是绝对的多孔介质的渗透率,公斤r是相对渗透率,g是重力,θ是x轴的角(流)的方向对重力的方向。混合物密度和动态混合物的粘度写成,

(7)

c .能量守恒方程

能量是通过传导和对流运输三个阶段内的膜(聚合物、液体/气体)。影响膜内的欧姆损失都由一个附加源项的能量平衡方程,

(8)

瞬态能量效应与大容量存储器内的水化膜被忽视是因为干膜质量不会改变,和几个数量级比水合物膜的水。

d .离子传输

质子的方程可能来自欧姆定律,并代表了质子通量除以膜电导率。电中性假设允许总摩尔质子通量直接相关的电流密度和速度,代表了对流的质子通量结果在以下方程,

(9)

因此,燃料电池被建模为一个函数使用了电流和电压测量中给出方程(10),

(10)

控制器设计和结果

有许多不同类型的控制策略开发,提高燃料电池系统的性能。例如,模糊控制策略开发的[3],提高燃料电池的性能系统基于系统误差及其变化速率。在[2]在线自调整PID控制器对PEM燃料电池系统。然而,从文献可以看出,PID控制器设计是广泛用于燃料电池系统的性能增强。proportional-integral-derivative控制器是一个通用的控制回路反馈机制(控制器),广泛应用于工业控制系统。PEM燃料电池的研究证明更好的性能相比,氢燃料电池相关优化的输出。下图显示了PEM燃料电池的仿真结果。PEM燃料电池的研究证明更好的性能相比,氢燃料电池相关优化的输出。

在第一次10秒,氢的利用率是恒定的名义价值使用燃料流量调节器H2 = 99.56%。10秒后,流量调节器是绕过和燃料的速度增加到最大值85行分钟为了观察电压的变化。PEM燃料电池的电压和电流波形是如上所示。从仿真结果可以看出输入保持输出电流恒定的变化。

结论

模型模拟质子交换膜(PEM)燃料电池使用MATLAB。输入给该燃料电池系统实现所需的输出电压和输出电流。结果表明,燃料电池系统提高了系统的稳定性和性能。因此,结果表明,所提出的控制器的设计验证。未来的工作正在继续扩大这一策略探讨混合建模方法。这将是紧随其后的是扩展工作包括额外的可调参数的优化算法模型更准确。

数据乍一看


图1	图2	图3	图4	图5

引用

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