[实用新型]一种具有解耦控制的燃料电池

说明书

本实用新型公开了一种具有解耦控制的燃料电池，包括燃料电池堆和若干条用于连接的管路，所述燃料电池堆由上至下顺次包括阳极板、阳极、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极和阴极板，还包括氢气循环系统，空气循环系统，冷却水循环系统和加湿水循环系统。通过反馈线性化得到两个独立的二阶仿射系统，使输出和控制输入解耦；自适应抗扰控制用于跟踪进入阴极流量和阴极压力，根据实验中测得的压缩机和节气门的数据，在不同工况下实现了多组仿真。本实用新型，不仅具有良好的性能，而且对未知的模型不确定性和扰动具有较强的鲁棒性。

技术领域

本实用新型涉及燃料电池进气系统技术领域，具体涉及一种具有解耦控制的燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下简称PEMFC)是将氢气和氧气的化学能转变为电能的装置，并且它被认为是传统发动机最有潜力的替代品。对于大功率PEMFC来说，空气供应子系统的瞬态行为对于提供所需的功率和延长PEMFC的使用寿命起着至关重要的作用。特别是对于车用燃料电池，由于路况复杂，负荷需求频繁，对PEMFC的动力动态响应、稳态跟踪提出了更高的要求。在众多的特性中，进入阴极的空气流量和阴极压力无疑是两个最关键的变量。低空气流量会导致氧饥饿破坏聚合物电解膜(PEM)，而当不同道路条件下车辆的功率需求变化时，高空气流量会增加寄生功率。另一方面，空气流量的变化会影响阴极压力。高阴极压力可以提高空气通过扩散层到达催化层的速率，从而提高催化速率。但同时，阴极与阳极之间的瞬时压差会影响PEM，从而对PEMFC造成不可逆的损伤。如何设计控制器将进入阴极的空气流量和压力解耦是研究的重要问题之一。

综上所述，目前需要设计一种更新式的燃料电池。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何设计控制器将进入阴极的空气流量和压力解耦的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种具有解耦控制的燃料电池，包括燃料电池堆和若干条用于连接的管路，所述燃料电池堆由上至下顺次包括阳极板、阳极、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极和阴极板，还包括：

氢气循环系统，其包括通过所述管路顺次串联而成的高压氢气罐，减压阀和第一加湿器，所述第一加湿器通过所述管路连接于所述阳极的输入端，所述阳极的输出端通过所述管路连接有第一节气门；

空气循环系统，其包括通过所述管路顺次串联而成的压缩机、进气歧管、阀门和第二加湿器，所述第二加湿器通过所述管路连接于所述阴极的输入端，所述阴极的输出端通过所述管路连接有第二节气门；

冷却水循环系统，其包括通过所述管路顺次串联而成的冷却器和水泵，且所述冷却水循环系统通过所述管路分别并联于所述阳极板的两端和所述阴极板的两端；

加湿水循环系统，其包括通过所述管路相互连接的所述第一加湿器、所述第二加湿器和尾气水槽，且所述第一加湿器和所述第二加湿器相互并联后与所述尾气水槽串联。

在上述方案中，所述氢气循环系统在所述燃料电池堆的两端通过所述管路并联有循环泵。

在上述方案中，所述阳极板和所述阴极板之间并联有负载。

在上述方案中，所述冷却水循环系统还包括通过所述管路与所述冷却器连接的冷却水槽。

在上述方案中，所述阴极的输出端通过所述管路连接于所述尾气水槽。

在上述方案中，所述空气循环系统还包括通过所述管路与所述压缩机连接的电机。

本实用新型的有益效果：

1.实现多个控制目标，将进气流量和压力进行解耦，实现对多个控制输入进行协同控制。

2.本实用新型提出了一个仿射形式的二阶系统，此结构有益于控制器的设计，在该模型的基础上，设计一个扩张状态观测器，提高模型的精度。