毕业论文（设计）燃料电池控制系统综述报告.doc

摘要：本文简介了燃料电池的基本控制系统，综述了其控制系统结构、精度要求高和稳定性要求高的控制系统特点、环境友好的广泛应用范围、前期开发成本高但是后期应用广的应用前景。最后总结了燃料电池系统的综述。 关键词：燃料电池，环境友好，稳定，高效 1.简介 对当今社会来说,能源问题和环境保护问题己经成为可持续发展的核心命题。能源促进经济的发展,为人民生活水平的提高奠定重要的基础。在以化石能源为主导的条件下,如果能源结构不改变,将会爆发能源危机。解决这个问题的关键是开发清洁高效的绿色能源,而燃料电池就是这样一种新能源。 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。一般选用的燃料为氢气，另一种新起的燃料是生物质能。美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池[1]。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能。下面主要介绍了以氢气为燃料的燃料电池的控制系统、特点、应用范围、经济性与应用前景。 2.控制系统结构 燃料电池的核心为燃料与氧气的氧化还原反应。燃料（比如氢气）与氧气由进气控制子系统进入反应区，在反应区进行氧化还原反应从而产生流动的电流，以此产生电能。反应产生的产物（一般比如水）由水管理子系统控制其流向与分布，另一方面产生的热量也由热能管理子系统来管理。 Fig.1 燃料电池的氧化还原反应及其原料和产物的流通 对于一个燃料电池系统，其输入输出虽然比较容易分辨，但是其内部涉及的气液固的状态与反应的进程控制、热量控制比较复杂。一般将这个系统分成进气子系统、热量管理子系统、水管理子系统、电压管理子系统和能源管理子系统来考虑[2]。 Fig.2 燃料电池控制系统框图 再如质子交换膜燃料电池的控制系统，Fig.4 给出了其控制框图。 Fig.3 质子交换膜燃料电池控制系统 对于此系统的控制策略常用的有PID控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制等[3]。 3.系统控制特点 此系统的控制可以看成一个过程控制系统。对燃料与氧气的配比控制要求精度较高，热量管理与电能管理子系统要求控制稳定性高以保证燃料电池系统控制的安全性。 由于化学反应的快速性，燃料电池具有操作温度低，启动速度快、能量密度高、使用寿命长、效率高的特点，其对应的控制系统需要有足够的执行速度与传感识别精度[4]。 研究燃料电池建模问题的文献不少, 但适合于控制的模型不多, 大多数研究的目的是预测燃料电池的性能, 据此进行组件的设计和操作点的选择。这些模型大多数是稳态的、单电池级的, 是基于电化学、热动力学和流体力学的, 且机理复杂、参数多且不易确定、计算时间长,不适合用于燃料电池系统的控制。在控制的思想上，以优化控制的原则来使电池系统达到预期效果[5]。 4.应用范围 燃料电池作为一种新能源，其采用的原料主要有氢气以及生物质能。其中氢能燃料电池的产物只有水，可以实现零污染、零排放，是一种环境友好型能源产生系统。 对于燃料的获取（比如氢能、生物质能等）一般要求满足环境友好，在此基础之上燃料电池将获得广泛的应用，在燃料电池汽车、移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和市场潜力[6]。 5.经济性特点与未来发展趋势 燃料电池系统涉及的内部系统管理与控制的要求较高，开发成本较高。另一方面现在的技术尚未完全成熟，开发成本将在短期内需求非常大。 在技术成熟逐步成熟、成本逐步降低的未来，燃料电池将逐步获得应用, 并有力地推动氢能技术的发展。燃料电池技术的迅速发展, 材料商面临着竞争, 准备迎接下一轮的用材增长。使用热固性材料、热塑性塑料、弹性体、纳米纤维和其它材料(如炭黑、石墨/碳纤维、镍、锂和铂)可使燃料电池有高的导电率, 耐腐蚀, 有良好热稳定性, 塑性变形小, 尺寸稳定且能阻燃[7]。 6.结论 燃料电池具有环境友好的特色，产生的电能速度快、效率高、稳定性好、操作温度低，使用寿命长。在技术逐步成熟与成本逐步降低的未来，燃料电池极具开发价值。其对控制系统的稳定、高效性要求高，需要进一步研究开发其控制系统组成。 7.参考文献 [1] F. Herb; P. R. Akula; K. Trivedi; L. Jandhyala; A. Narayana; M. W?hr.Theoretical analysis of energy management strategies for Fuel Cell Electric Vehicle with respect to fuel cell and battery aging,Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27), 2013 World [2]陈雪兰. 燃料电池系统建模