机车PEMFC空气系统优化研究

随着环境污染和能源匮乏的日益加剧,燃料电池技术,特别是质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具发展前景的新能源技术,在分布式电站、电动汽车动力系统、新能源列车动力系统等方面具有非常广泛的应用前景。一套大功率燃料电池动力系统中,空气供给系统是最重要的辅机设备之一,需要根据动力系统工况变化,实时提供足够的压力和流量的空气,以精准快速地满足电池内部电化学反应的需要。由于电流变化的时间尺度是微秒级,而气体流量变化时间尺度为秒级,因此燃料电池系统变载能力受制于气体供应系统的动态响应。研究燃料电池空气供应系统的控制方法,对于提升空压机的响应速度,精确快速地满足燃料电池所需空气流量,对于大功率燃料电池发动机系统而言,甚为关键。为此,本文基于离心式空压机的模型和控制策略在国内外的研究成果,从质子交换膜燃料电池空气供给系统的整体建模与控制方法的设计出发,介绍质子交换膜电堆燃料电池工作原理与离心式空压机的工作原理并搭建了机车用150kW质子交换膜燃料电池空气系统模拟实验平台,为ROTREXC15-16系列离心式空压机性能测试与优化控制验证提供基础。建立了适用于ROTREX C15-16系列的空压机半机理半经验模型,搭建包含离心式空气压缩机的大功率PEMFC空气供给系统模型,根据仿真计算结果以及PEMFC动态响应的实际工作要求,提出一种电流跟随分段PID控制方法,实现对PEMFC变载过程中离心式空压机快速响应,空气流量满意跟随的目的,充分发挥离心式空压机的性能优越性,改进了以往控制方式的滞后特点。通过仿真与实验结果表明:电流跟随分段比例积分微分控制能更有效快速地调节空压机转速与空气供给系统空气流量,保证系统稳定高效运行。最后介绍了离心式空压机在低转速工作时出现"喘振"的现象、原理以及对PEMFC的影响,并提出采用二进制防喘阀对"喘振"现象进行优化,通过实验验证二进制防喘阀的作用效果,并提出一种定量选取防喘阀等级的方法。本文所设计的控制方法以及防"喘振"方法对于实际控制系统的设计具有重要指导意义。