燃料电池离心/涡旋混合式空气压缩特性分析与控制方法研究

The limitation of lifespan is one of the main problems of fuel cell automobiles for commercialization. During the dynamic driving cycles, the time-varying current leads to variations of the internal states in the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The insufficient air flow supply (“oxygen starvation” phenomenon) and the fluctuations of air pressure give rise to the mechanical damage as well as the performance deterioration of the fuel cell material resulting in the lifespan drop. This project will analyze the characteristics of a centrifugal/scroll hybrid air compression system. Meanwhile, the influence of the supplied air to the performance of the fuel cell and the internal parameters will be studied. The coupling between the air flow and pressure will be investigated using relative gain array method. Then, a decoupling methodology based on active disturbance rejection control theory is proposed to smooth the supplied air pressure and improve the air flow dynamics, avoiding the “oxygen starvation” phenomenon. The improved durability of the fuel cell could speed up the process of commercialization of fuel cell automobiles.

寿命（耐久性）是燃料电池汽车商业化面临的主要问题之一，在汽车动态负载下，电流载荷的动态变化导致PEMFC内部状态量的频繁波动，其中阴极空气流量供应不足（“氧气饥饿”现象）和压力波动导致了材料的机械损伤和化学性能的衰减，缩短了燃料电池寿命。本项目拟开展离心/涡旋混合式空气供应系统压缩特性的分析，研究供应空气相关参量的动态变化对燃料电池性能及内部参数的影响，运用相对矩阵原理推导空气压力与流量的内在耦合关系， 基于主动抗干扰理论构建解耦和控制策略，实现供应空气压力的平稳性和流量的高动态性，避免产生“氧气饥饿”等不良现象，以提高燃料电池的耐久性，加速燃料电池汽车商业化的步伐。

质子交换膜燃料电池系统是利用氢气与氧气的电化学反应产生电功率、驱动车行驶的技术，运行过程温度低（红外特征弱）、噪音小，具有良好的应用前景。 空气供应子系统通过空气压缩机向PEMFC的阴极提供电化学反应所需的氧气（空气中含大约21 %氧气），是燃料电池内部最大的能量消耗子系统，在负载剧烈增加的情况下，最多可消耗30% PEMFC 所产生的能量，在汽车动态负载情况下，供应空气的压力与流量是两个关键的性能指标，直接影响燃料电池寿命。.主要研究内容包括：1）燃料电池供气压缩机技术，研究高速驱动离心压缩机工作特性。2）空气压力波动对燃料电池特性的影响。反应气体分压是影响燃料电池输出电势的主要因素，本项目根据Fick定律建立流体动力学模型，分析氧气分压在扩散层的分布梯度，依据电极处氧气分压计算开路电动势。基于该模型研究空气压力波动对扩散的影响、对输出电压的影响。3）耦合特性及控制策略研究，研究空气压力与流量的耦合特性、解决控制中的耦合问题。.研究成果：1）用高速离心式压缩机取代传统的容积式压缩机给燃料电池供气，减轻供气系统的体积与重量。离心式压缩机将气体的动能转换为压力，通过提高转速大大降低了压缩机的体积与重量，适合用于航天燃料电池系统。2）设计了解耦控制算法解决离心式空气压缩机的压力与流量耦合问题，减小压力波动，保障燃料电池的安全并延长其寿命。3）通过优化控制空气流量，减小了压缩机的能耗，提高了燃料电池效率，增加续航能力。本项目通过研究燃料电池工作特性获取最佳过氧比，优化控制压缩机的流量，使其消耗的能量最小，提高了燃料电池效率，从而在同等能量供应条件下增加了续航能力。