福州大學研究人員撰文質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員鄭先娜、林瑞全，在2017年第11期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，簡單介紹了質(zhì)子交換燃料電池的工作原理，分析了影響其工作性能的重要因素，對目前質(zhì)子交換膜燃料電池控制方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，結(jié)合當前研究現(xiàn)狀，對質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)控制今后的發(fā)展方向進行了展望。

質(zhì)子交換膜燃料電池也稱作高分子電解質(zhì)燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell PEMFC),PEMFC是燃料電池中最典型的一種，具有工作溫度低、啟動迅速、過載能力大、能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、能量密度高、可靠性高等特點，是一種應用前景廣闊的新能源發(fā)電裝置。

目前，PEMFC廣泛應用于移動電源、家用電源、電動汽車等供應系統(tǒng)。PEMFC的數(shù)學模型是一個高度非線性、強耦合等特點的復雜模型，很難用精確的模型對其進行描述。同時PEMFC在正常運行時會受到進氣壓力、溫度、濕度、電流密度等多種因素的影響。因此，為了提高系統(tǒng)的工作性能，保持良好的運行狀態(tài)，采取恰當?shù)目刂撇呗詫ζ溥M行設計，具有重要的學術(shù)意義和實用價值。

目前，國內(nèi)外對PEMFC控制技術(shù)已經(jīng)開展了一定研究，各種控制方法如傳統(tǒng)PI控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、預測控制、模糊控制、自適應模糊控制、滑?？刂?、魯棒控制等，均在PEMFC系統(tǒng)的研究中得到了應用，并取得一定成果。

本文基于多種控制策略的PEMFC的控制問題，對當前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，并對PEMFC今后發(fā)展方向進行展望。

1 PEMFC工作原理

PEMFC基本結(jié)構(gòu)主要包括陰極、陽極、電解質(zhì)和外電路組成，其電解質(zhì)是一種固態(tài)高分子聚合物，位于陰極陽極之間，將氫氣和氧氣的化學能通過電極反應直接轉(zhuǎn)化成電能。

PEMFC結(jié)構(gòu)與反應原理如圖1所示，反應過程實質(zhì)上可以看成是水電解的逆過程：陽極，在催化劑作用下，氫氣分子分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，在陰極催化劑層和氧分子結(jié)合生成水，并產(chǎn)生電能。陰極，空氣經(jīng)壓縮裝置進入，與電子、氫離子在催化劑的作用下生結(jié)合生成水。

總化學反應方程如下：

圖1 PEMFC結(jié)構(gòu)與反應原理

2 PEMFC性能影響因素

2.1溫度對PEMFC性能的影響

電堆能量轉(zhuǎn)換率通常在50%~60%之間，意味著電堆在反應過程中放出大量的熱，而溫度變化對電池放電性能和使用壽命有很大影響。PEMFC內(nèi)部正常溫度應維持在65～85℃，溫度適當升高時，會加速反應速度，降低極化電壓，同時質(zhì)子交換膜燃料電池的電導率也會增加，通過減少膜的歐姆極化電壓提高電堆轉(zhuǎn)換效率[1,2,3]。但是溫度過高會引起高分子膜失水，大大降低了高分子膜的傳導能力和熱穩(wěn)定性，嚴重時導致膜收縮破損，縮短電池的使用壽命。

影響電堆溫度主要有以下兩個因素：其一，電堆內(nèi)部化學反應放熱，包括電化學反應熱、歐姆極化熱和活化極化熱等；其二，系統(tǒng)對PEMFC電堆溫度的影響，電堆溫度與電堆濕度密切相關(guān)，而電堆濕度與進氣空氣流量兩者相互影響，此外，環(huán)境溫度變化和電堆負載的大小對PEMFC電堆溫度也有一定的影響[3]。

2.2壓力對PEMFC性能的影響

在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，當其他運行條件不變時，電極內(nèi)反應氣體的壓力越大，電池的輸出性能越好。在動力學角度分析，增大氣體壓力對提高交換電流密度，降低活化過電位有很大幫助；在熱力學角度分析，增大氣體壓力對于增大電池可逆電勢，改善電池性能有很大影響；在擴散的角度分析，增加反應氣體的壓力，可以加快反應氣體的傳質(zhì)速度，增大催化層內(nèi)反應物的濃度，加快正向反應，進而提高燃料電池的工作特性[3]。

因此，要想獲得較高的電池功率密度，可以適當提高反應氣體的壓力[4,5]?？紤]到增大反應氣體的壓力會增加電堆的密閉難度以及增大壓縮系統(tǒng)的功耗和成本等因素，在實際工作中，PEMFC反應氣體的工作壓力不宜過高，一般都控制在幾個大氣壓以內(nèi)。為了保持電解質(zhì)膜最佳濕度以及對生成水的排放，要求陰極反應氣體的壓力要等于或者稍高于陽極反應氣體，并且在調(diào)節(jié)兩極壓力時要確保同升同降，以減少對質(zhì)子膜的損害。

2.3濕度對PEMFC性能的影響

電解質(zhì)膜是PEMFC中最關(guān)鍵的元件，用于傳遞H+，隔離電子。電解質(zhì)膜中必須有足夠的水分才能更好工作。當電解質(zhì)膜缺水濕度下降時會減少膜的電導率，降低PEMFC的性能，嚴重時將停止工作[6,7]；而水分過多時會發(fā)生水淹電極現(xiàn)象。

因此，膜中水的含量對電池的性能有很大影響，為了保證電解質(zhì)膜有一定的濕度，最常用的辦法是外升溫增濕的方法，利用增濕系統(tǒng)控制電解質(zhì)膜水含量，保證PEMFC正常工作。

電解質(zhì)膜濕度主要取決于反應氣體帶進來的水以及反應生成的水，同時，PEMFC工作溫度、反應氣體濕度、流量、壓力、外界溫度等對膜濕度都有影響。

3PEMFC控制策略

質(zhì)子交換膜燃料電池是一個多輸入、多輸出、不確定的非線性時變系統(tǒng)，由于受多參數(shù)的影響導致其輸出特性很難控制。國內(nèi)外學者，針對這一特性進行了大量研究，提出多種控制方法，從不同角度對PEMFC進行控制，以提高凈輸出功率。以下介紹近年來研究進展。

3.1傳統(tǒng)PID控制

PID控制器是工業(yè)控制中最廣泛的控制規(guī)律，因其簡單易懂的特點廣泛應用于控制系統(tǒng)。PEMFC系統(tǒng)的壓力、溫度、濕度等同樣采用了PID算法進行控制。程站立[8]等采用PID算法控制器控制電堆的輸出電流。

通過分析了電堆輸出電流出現(xiàn)階躍變化時，對電堆輸出電壓、輸出功率以及電堆效率的影響，證明所設計的算法具有較好的魯棒性，對改善PEMFC控制系統(tǒng)的性能有很大提高。Swain P[9]等，利用Matlab工具箱得到可控可觀的線性化系統(tǒng)的狀態(tài)空間矩陣，進而采用PID控制器對氫氣氧氣壓力差進行控制，仿真實驗證實所設計控制器可以使氫氣氧氣壓力差維持在一定范圍，達到控制效果。

但是由于控制器的適應能力和抗干擾能力都較差，采用PID算法控制的系統(tǒng)容易受干擾的影響，因此不適于大擾動和對控制性能要求很高的復雜系統(tǒng)?；诖?，智能控制被逐漸廣泛應用。

3.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制

神經(jīng)網(wǎng)絡是一個高度非線性系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡控制是一種只能智能控制方法，因其具有自組織、自學習、自適應能力而廣泛應用于控制系統(tǒng)。適用于對PEMFC這種復雜系統(tǒng)控制分析。葛福臻[10]等針對PEMFC的濕度特性，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法對加濕系統(tǒng)進行控制，根據(jù)進口區(qū)、中間區(qū)和出口區(qū)三個部分平均單片電壓間的關(guān)系建立模糊規(guī)則，將該規(guī)則運用到神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，通過對陽極加濕溫度的控制來提高工作性能。

實驗數(shù)據(jù)分析表明，所設計的濕度控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。R Vinu[11]等設計了電壓輸出反饋控制器，該控制器運用了和諧搜索算法的優(yōu)化技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡前饋控制器來控制輸出電壓，通過比較所設計的控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡前饋控制器的效果表明，該控制器輸出結(jié)果更接近參考電壓。通過評估積分平方誤差，積分絕對誤差和積分時間加權(quán)絕對誤差來比較所設計的控制器的性能，結(jié)果表明該控制器的系統(tǒng)誤差值最小，性能最優(yōu)。

Guo Li[12]等針對溫度特性，設計了一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡溫度控制器，該控制器具有良好的控制性能，同時對模型精度要求不高，仿真結(jié)果表明該BP神經(jīng)網(wǎng)絡溫度控制系統(tǒng)有很好的魯棒性和溫度控制性能。

3.3預測控制

模型預測控制采用一種擇優(yōu)思想，采用多步測試、滾動優(yōu)化和反校正控制策略，有較好的控制效果，因此適用于復雜的且不易建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)。羅超[13]采用一種基于T-S模糊模型的預測控制算法對PEMFC的溫度進行控制，運用T-S模糊建模方法把非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成線性時變系統(tǒng)，實驗結(jié)果證明了模糊預測控制在PEMFC的溫度控制系統(tǒng)中可以較好的滿足系統(tǒng)的控制要求，證實了該算法的有效性。

陳雪蘭[14]從機理出發(fā)推導建立了電堆電壓的半經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)模型?？紤]燃料電池空氣進氣系統(tǒng)的非線性和約束，提出了基于線性變參數(shù)模型的預測控制(LPV-MPC)算法。針對狀態(tài)不可測問題，在LPV-MPC算法中加入Kalman濾波，并通過可觀性分析確定了需要測量的變量。通過與線性MPC和基于機理模型的非線性預測控制(NMPC)對比，驗證了在燃料電池負載大范圍變化時該算法的有效性和可行性。

簡棄非[15]等針對一輛小型燃料電池電動車的2kW質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)，利用遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立其電壓輸出特性模型，將PEMFC部分實測數(shù)據(jù)作為遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練樣本對其進行訓練，利用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡對電堆電壓輸出特性進行預測，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果顯示：網(wǎng)絡預測的輸出電壓與實測輸出電壓之間的最大相對誤差均保持在4%之內(nèi)。

Costa Lopes F D[16]等為了實現(xiàn)燃料電池最大效率運行，設計了一種預測電壓控制器，采用了非線性自回歸與外部輸入和非線性輸出誤差神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)識別建模方法，獲得面向預測控制系統(tǒng)的PEMFC堆棧的黑盒模型，實驗數(shù)據(jù)表明所設計的控制器能準確預測電壓，并且可實現(xiàn)實時預測。

3.4自適應控制

自適應控制與常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制區(qū)別在于自適應控制依據(jù)的先驗知識比較少，而是依據(jù)從系統(tǒng)運行中提取出的不斷更新的數(shù)據(jù)。

呂學勤[17]等針對PEMFC的時變、非線性及不確定性導致其輸出動態(tài)特性難以控制的問題,設計了以PEMFC系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡模型作為預測模型具有實時控制的自適應預測控制器。結(jié)果表明所設計的自適應控制器具有較強的魯棒性,較強的學習能力,控制精度高,并具有自適應能力,對PEMFC的輸出動態(tài)特性的穩(wěn)定性具有較好的控制效果。

L Xueqin[18]等考慮PEMFC的輸出電壓經(jīng)常受時變性能、非線性性能和不確定性的影響。導致其動態(tài)輸出無法控制。設計了基于自適應預測控制的控制器。在控制過程中，通過將負反饋控制引入自適應模型和預測控制的前端，提高系統(tǒng)的控制精度和響應速度。仿真結(jié)果表明，自適應預測控制器具有適應能力強，魯棒性強，學習能力強，控制精度高，對質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性的動態(tài)穩(wěn)定性具有完美的控制作用。

M Karimi[19]等針對PEMFC的模型不確定的非線性和因變量問題，采用了自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對PEMFC堆棧的動態(tài)電壓進行建模，經(jīng)過一系列實驗數(shù)據(jù)的訓練，結(jié)果表明，自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的輸出與實際工廠以及物理模型之間達到很好的一致性，該模型可用于預測系統(tǒng)的動態(tài)行為。

3.5滑模控制

滑?？刂凭哂袕婔敯粜?，響應速度快、對系統(tǒng)的數(shù)學模型精度要求不高，對參數(shù)攝動及外部擾動不敏感，易于實現(xiàn)，計算機實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

SM Rakhtala[20]設計了一個高階滑模觀測器，用來提供不可測狀態(tài)下的過氧比，通過應用二階滑模通過超扭轉(zhuǎn)和次優(yōu)控制器來控制質(zhì)子交換膜燃料電池的呼吸。結(jié)果驗證所設計的控制器有較好的跟蹤性能。

Z Baroud[21]等提出了一種質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供應子系統(tǒng)的滑?？刂破?，以便在負載發(fā)生變化時調(diào)節(jié)和補充燃料電池陰極消耗的氧氣量。根據(jù)電堆電流，通過氧過比穩(wěn)態(tài)分析得到空氣流量的參考值。為了確保系統(tǒng)工作在過氧比的參考值，提出了滑?？刂仆ㄟ^調(diào)節(jié)空氣壓縮機電壓控制空氣流量。仿真結(jié)果表明該控制方法有較好的抗干擾性動和抑制不確定性。

A．Pilloni[22]等注意到氧氣過量比不應簡單地控制在2，并基于觀測器輸出反饋控制，提出一種滑模控制方法來獲取一個合適的氧氣過量比常數(shù)，然而這個常數(shù)并非燃料電池系統(tǒng)凈功率最高對應的值，因為他沒有考慮空氣壓縮機等附屬設備的耗能。

S Laghrouche[23]等提出了高分子電解質(zhì)膜燃料電池供氣系統(tǒng)的基于Lyapunov的魯棒和自適應高階滑模(HOSM)控制器，這是一種具有有界不確定性的非線性單輸入單輸出系統(tǒng)。首次提出了一個以Lyapunov為基礎比較完整的適應性任意的高階滑模控制。通過比較證明該控制器有較好的性能。

3.6魯棒控制

魯棒性是指控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定范圍內(nèi)發(fā)生攝動，仍能滿足某些性能指標。近年來設計魯棒控制器成為國內(nèi)外科研人員研究課題。Wang F C[24]等設計了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的魯棒控制器，旨在將同一控制器用在不同模型中。

實驗結(jié)果證實，所設計的魯棒控制器可以直接在不同的PEMFC模塊上實現(xiàn)，同時可以將氫效率提高1.4％，并將PEMFC電壓的均方根誤差降低約93％，實現(xiàn)了在工業(yè)應用生產(chǎn)線上對所有PEMFC模塊應用一般控制器。

Yang B[25]等期望以最佳氧過量比實現(xiàn)期望的凈輸出功率的精確跟蹤，提出了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池輸出功率跟蹤問題的級聯(lián)控制器，該控制器由多輸入多輸出魯棒非線性非交互（RNNI）控制器和非線性擾動解耦結(jié)構(gòu)組成的控制結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，通過兩個性能指標良好的解耦可以獲得良好的跟蹤性能，此外，可以通過非線性補償器抵消參數(shù)不確定性的影響。

A Mohammadi[26]等針對PEMFC模型動態(tài)響應慢以及模型復雜問題提出了一種基于信號的PEMFC魯棒模型，實驗結(jié)果與不同種車型進行對比，驗證改模型的可靠性同時具備很好的魯棒性。

3.7模糊控制

模糊控制屬于智能控制,實質(zhì)上是一種非線性控制。模糊控制最主要特點之一是將系統(tǒng)化理論與實際應用背景相結(jié)合。鄭維[27]等在換熱器的控制中引入模糊控制,并運用Matlab模糊邏輯工具箱對模糊推理系統(tǒng)進行設計。運用Simulink設計模糊PID控制器,并進行仿真,得出引入模糊控制后系統(tǒng)的階躍響應曲線。結(jié)果表明模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制相比,超調(diào)更小,精度更高,穩(wěn)定速度更快,可以達到預期的恒溫輸出,可以有效提高換熱率,減少能量損失。

胡鵬[28]等建立了基于控制的PEMFC的溫度機理動態(tài)模型，并根據(jù)所建立的溫度模型和控制經(jīng)驗規(guī)則設計帶積分環(huán)節(jié)的PEMFC溫度二維增量模糊控制器。結(jié)果證明該模型能模擬PEMFC的動態(tài)特性,并且當PEMFC溫度控制在理想工作范圍內(nèi),所設計的控制器可用于對PEMFC進行溫度實時控制，具有較強的魯棒性。

Li[29]等提出了模糊滑?？刂破骺刂芇EMFC堆棧的供氣流量，該控制器具有良好魯棒性，模糊滑?？刂破魇窃趥鹘y(tǒng)的滑模控制器中嵌入了一個模糊邏輯推理機制，產(chǎn)生了一個平滑控制。結(jié)果表明，該模糊滑膜控制器消除了傳統(tǒng)滑膜控制器的抖動現(xiàn)象。通過比較證明模糊滑膜控制器很好的提高了PEMFC控制性能。

樊立萍[30]等，建立了質(zhì)子交換膜燃料電池數(shù)學模型，針對恒功率燃料電池設計了自適應模糊控制器。實驗證明，所設計的控制器可以實現(xiàn)PEMFC恒功率輸出。

4結(jié)論

本文介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)，分析了影響性能幾點重要因素，對當前國內(nèi)外學者采用的控制策略進行綜述。當前PEMFC的控制方法基本都是針對影響PEMFC性能的單方面因素進行研究，雖然能達到相應的控制效果，但是在設計過程通常假設其他因素恒定或者進行了理想化假設，而忽略了變量間的相互耦合關(guān)系，所以，今后設計中應同時考慮多種因素對系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

同時大多數(shù)學者對PEMFC的研究都是針對連續(xù)系統(tǒng)模型進行控制，很少考慮離散系統(tǒng)，以及后期信號采集問題。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)ζ湫枨笕找嬖黾樱瑢崿F(xiàn)PEMFC數(shù)字化控制將成為今后研究的一個熱點，因此，有效解決快速采樣時的PEMFC數(shù)字化控制問題將是今后研究的一個方向。