本技术介绍了一种创新的分层燃料电池温度控制方法,该方法采用自适应无模型预测控制技术。该方法首先通过电堆的极化曲线来确定在不同工况下的最佳电堆温度,并以此为基准来控制电堆温度,以实现最优性能。
背景技术
在各种类型的燃料电池中,PEMFC具有高功率密度、快速启动能力以及适用于固定和移动应用等优点。在PEMFC系统的运行过程中,氧气与氢气反应产生电能,同时仅仅产生水和热量,理想情况下不产生任何污染性废料,使其成为在绿色可持续发展背景下,氢能发展与应用的关键技术之一。
在燃料电池系统中,电堆温度是影响燃料电池运行效率和系统寿命的关键参数之一。电堆的温度直接关系到PEMFC的输出性能和耐久性。当电堆温度过低时,催化剂的活性受到抑制,电化学反应速率下降,进而导致燃料电池的输出效率显著降低。这不仅影响系统的即时输出功率,还可能导致整体效率的下降,特别是在较低温度下长时间运行时,系统的能量利用率会大幅降低。此外,低温运行还容易导致水管理失衡,造成水分在电堆内部的积累,进一步影响燃料电池的运行性能。相反,当电堆温度过高时,问题同样严重。高温环境下,电解质膜会加速降解,导致质子传导性下降,甚至造成膜的永久性损坏。这种情况下,电堆不仅输出性能下降,整个燃料电池系统的寿命也将大大缩短,甚至可能引发系统故障。因此,电堆温度的精确控制在PEMFC的设计和运行中至关重要。
为了保证电堆能够在最佳温度范围内运行,PEMFC通常配备了温度管理系统,该系统依赖冷却水泵和散热器(或风扇)两个主要的执行器来调节电堆温度。冷却水泵通过调节流入电堆的冷却水流量来控制系统的散热。通过调整水泵的流量,可以及时将电堆产生的热量带走,防止温度过高。其次,散热器通过管道与电堆连接,通过风扇将电堆内排除的热量即及时散到空气中,确保电堆温度不超过安全范围。该温度管理系统的核心原理是通过合理的控制策略,协调冷却水流量和散热器的工作效率,以确保电堆内部化学反应所产生的热量能够得到及时、有效的排放,从而保持电堆温度的稳定。这不仅能提升燃料电池的即时输出性能,还能延长系统的整体寿命,提高燃料电池的长期可靠性。因此,PEMFC温度管理的有效性在很大程度上决定了系统的运行效率和寿命,是燃料电池技术中至关重要的一个环节。
目前,对于电堆温度的控制,多数控制策略采用基于模型的控制策略,如常见的前馈、反馈控制策略、模型预测控制等控制方法,但由于PEMFC热管理系统中包含大量非线性动态和待拟合的半经验方程,难以获取高拟合精度的系统方程,这也给基于模型的控制策略带来挑战。而相比于学习类无模型算法或传统PID类无模型控制方法,前者带来巨大的计算负担,在目前的硬件条件上难以直接实施与大量推广;后者难以直接处理多输入多输出的强耦合控制系统,且存在参数调节复杂等问题。
因此,燃料电池的精确温度控制仍存在巨大挑战。
实现思路