质子交换膜燃料电池的温度控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及燃烧电池，特别涉及一种质子交换膜燃料电池的温度控制方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池是一种清洁高效的分布式电源，在催化剂作用下它能将含氢燃料的化学 能直接转化为电能而无需燃烧过程。质子交换膜燃料电池 （proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作为最可能商业化的燃料电池，具有工作温度低、电流密度大、响应速度 快等优点，具有广泛的应用前景。
[0003] 在PEMFC的运行中，大约有一半以上的能量以热能形式输出，因此有效的温度管 理是保证电池性能的关键。同时温度也影响电池的运行特性，当温度较低时电池内各种极 化增强，欧姆阻抗也较大，会使电池性能下降；而当温度升高时，会降低欧姆阻抗，减少极化 损失，利于电化学反应发生，但过高的温度又会导致质子交换膜脱水，电导率下降，电池性 能变坏甚至膜破裂。因此，必须保持PEMFC运行在理想工作温度范围内，通常PEMFC的工作 范围在60-90°C，而其理想工作范围在70°C。对于5KW功率以上的PEMFC通常采用冷却水 循环方式排出电池产生的多余热量，为维持电堆稳定在理想温度70°C运行，需采用必要的 控制方法实时调节冷却水流量。
[0004] 因此，如何维持PEMFC电堆的温度，使PEMFC内部电化学反应安全高效进行，成为 本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种质子交换膜燃料电池的温度控制方法，以解决现有技术中存在的 上述技术问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池的温度控制方法，包 括：
[0007] 步骤1 :根据质子交换膜燃料电池中各设备的物理特性，建立质子交换膜燃料电 池的温度模型；
[0008] 步骤2 :根据所建立的温度模型和控制经验规则设立增量模糊控制器，利用所述 增量模糊控制器建立质子交换膜燃料电池的温度闭环控制算法；
[0009] 步骤3 :所述增量模糊控制器根据该温度闭环控制算法实时控制所述质子交换膜 燃料电池的温度。
[0010] 作为优选，在执行步骤1之前，还包括：利用能量守恒定律对质子交换膜燃料电池 的电能和热能的动态特性进行分析，并对质子交换膜燃料电池的温度特性进行模拟预测以 确定质子交换膜燃料电池的温控需求。
[0011] 作为优选，所述增量模糊控制器为带积分环节的增量模糊控制器。
[0012] 作为优选，所述质子交换膜燃料电池包括：质子交换膜燃料电池电堆、冷却水箱、 水栗、旁路阀和热交换器；其中，所述质子交换膜燃料电池电堆的出口冷却水通过冷却水箱 和水栗后，由旁路阀分为两路，一路经由所述热交换器冷却、另一路直接连通，两路汇合后 流入所述质子交换膜燃料电池电堆的入口。
[0013] 作为优选，所述增量模糊控制器包括用于控制所述旁路阀开度的一维增量模糊控 制器和用于控制所述冷却水箱出水流量的二维增量模糊控制器。
[0014] 作为优选，温度闭环控制算法为：对输入量进行模糊化形成模糊控制量，根据模糊 规则对所述模糊控制量进行模糊决策得到模糊控制量，接着对模糊控制量进行反模糊化。
[0015] 作为优选，针对二维增量模糊控制器的被控对象变量制定49条模糊规则，针对一 维增量模糊控制器的被控对象变量制定7条模糊规则。
[0016] 作为优选，通过加权平均法对模糊控制量进行反模糊化。
[0017] 作为优选，所述温度闭环控制算法的输入量为质子交换膜燃料电池电堆的温度误 差和温度误差变化率。
[0018] 作为优选，所述控制经验规则为采用if-then模糊控制规则。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0020] 本发明利用增量模糊控制器进行模糊控制，其根据控制经验规则设定，无需建立 精确的数学模型，具有鲁棒性强、操作简单、响应迅速和易于修改等优点，确保PEMFC电堆 的维持在固定温度，使PEMFC内部电化学反应安全高效进行。本发明的增量模糊控制器，还 可以并入积分环节以消除静态误差。因此为精确控制电堆温度，可以采用带积分环节的增 量模糊控制器实时调节冷却水的流量实现，它能够综合反映历史信息对当前控制的影响， 克服外部负载变化的干扰并消除系统的静态误差。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明一【具体实施方式】中质子交换膜燃料电池的结构示意图；
[0022] 图2为本发明一【具体实施方式】中质子交换膜燃料电池的温度控制示意图；
[0023] 图3a、3b为本发明一【具体实施方式】中增量模糊控制器的基本原理图；
[0024] 图4为本发明一【具体实施方式】中偏差e、偏差变化率Δ e和增量模糊控制器输出u 的隶属度定义曲线；
[0025] 图5为本发明一【具体实施方式】中增量模糊控制器测试信号曲线；
[0026] 图6为本发明一【具体实施方式】中冷却水栗控制电压动态特性曲线；
[0027] 图7为本发明一【具体实施方式】中旁路阀开度动态特性曲线；
[0028] 图8a、8b为本发明一【具体实施方式】中负载变化时被控温度动态过程示意图；
[0029] 图9a、9b为本发明一【具体实施方式】中模型参数变化时被控温度动态过程示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精 准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0031] 本发明提供一种质子交换膜燃料电池（PEMFC)的温度控制方法，如图1和图2所 示，所述质子交换膜燃料电池具体包括：PEMFC电堆10、冷却水箱20、水栗30、旁路阀40和 热交换器50,如图2所示，所述质子交换膜燃料电池在水栗30的循环作用下，冷却水通过 PEMFC电堆10移除其产生的热量，将PEMFC电堆10出口冷却水的温度看为PEMFC电堆10 的温度Tst，则出口冷却水通过冷却水箱20和水栗30后经过旁路阀40分为两路，一路连接 热交换器50, 一路直接连通后，两路汇合后构成PEMFC电堆10的入口温度T1。
[0032] 具体地，本发明的质子交换膜燃料电池的温度控制方法，包括：
[0033] 步骤Sl :利用能量守恒定律对质子交换膜燃料电池的电能和热能的动态特性进 行分析，并对质子交换膜燃料电池的温度特性进行模拟预测以确定质子交换膜燃料电池的 温控需求，也即是PEMFC电堆10的温控要求。
[0034] 步骤1 :根据质子交换膜燃料电池中各设备的物理特性，建立质子交换膜燃料电 池的温度模型；
[0035] 步骤2 :根据所建立的温度模型和控制经验规则设立增量模糊控制器，利用所述 增量模糊控制器建立质子交换膜燃料电池的温度闭环控制算法；进一步的，所述增量模糊 控制器带有积分环节，可以消除静态误差。
[0036] 步骤3 :所述增量模糊控制器根据该温度闭环控制算法实时控制所述质子交换膜 燃料电池的温度，使其符合步骤Sl中得出的质子交换膜燃料电池的温控需求。
[0037] 请继续参照图1至图2,下面将详细说明本发明质子交换膜燃料电池的温度控制 方法：
[0038] 由于PEFMC电堆10的目标温度为70°C，具体可以通过调节水栗30的电压，控制冷 却水的流量I 1实现。同时在送入冷却水时，控制PEFMC电堆10的进出口温差（T St-I\)在 7°C左右，以免损坏PEFMC电