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摘要：虽然质子交换膜燃料电池（PEMFC）仍然吸引着巨大的研发兴趣，但由于其高能量密度，其商业化受到许多挑战的阻碍，包括降低成本，提高性能和增加耐用性。虽然这些障碍可以通过材料的选择解决，PEMFC的耐久性也受到电压反转和燃料不足的影响。在本文中，PEMFC控制子系统即反应，热，水管理和电力子系统进行严格审查，特别注意控制策略以避免燃料不足。经典的比例积分和微分（PID）控制器通常用于反馈电压,通过控制氢气和空气流速来控制和前馈电流控制。自整定PID控制器或滑动模式控制器适应不断变化的动态并更快地响应自适应控制器（AC），例如负载调节器和极值搜索控制器，可以持续更新控制动作。模型预测控制（MPC）使用PEMFC模型来预测系统行为和更新控制器动作。最近，人工智能如神经网络控制（NNC），模糊逻辑控制等（FLC）和FLC-PID控制已用于PEMFC系统控制，因为它们更简单，更便宜,并且能在没有AC和MPC的繁重计算负担的情况下实现，而产生更好的结果。
目录
- 介绍
- 燃料电池种类与应用
- PEMFC的基础结构与工作原理
- 质子交换膜燃料电池系统控制
4.1质子交换膜燃料电池系统子系统
4.1.1反应子系统
4.1.2热子系统
4.1.3水管理子系统
4.1.4电力管理子系统
5.燃料不足控制
5.1防止燃料不足的控制策略
5.2使用比例积分微分控制的经典反馈和前馈控制
5.3自适应控制
5.4模型预测控制
5.5神经网络控制
5.6模糊逻辑控制
5.7FLC和PID
6.结论
1.介绍
尽管最近主要储能被发现，但化石燃料仍然消耗迅速，可能不足以满足未来能源需求，在不就得了将来造成能源供需缺口，这反过来威胁着世界的能源安全[1]。此外，化石燃料污染环境并导致酸雨，全球变暖和气候变化也是毋庸置疑的[1]。近年来许多国家和公司都投入了大量资金致力于开发新的替代能源和可再生能源进行广泛的研究和发展计划，而这些正能够弥合当前和未来能源的资源和技术可持续发展的供需缺口。新能源包括太阳能，风能，水力发电，生物质能，地热能，核能和氢能（包括燃料电池技术）。氢能和燃料电池是最有希望的绿色、清洁替代能源和能量转换装置，因为它们碳排放量和取决于氢是否由不可再生或者可再生的一次能源所生产的环境污染很少或为零。相对于其他可替代、可再生能源和能量转换技术，效率更高。
燃料电池与电池有许多相同的特性，因为它们都是从化学“燃料”与氧化剂发生电化学反应中有效地产生电能，由于缺少活动部件，两者都需要最少的维护[7-9]。主要的电池和燃料电池之间的区别在于前者为能量存储装置，其可用能量取决于存储在电池本身中的化学反应物的量，而后者是生产的能量转换装置，只要电极供给燃料和氧气，电能就会持续。电池的主要缺点是它们有限的寿命，电池停止发电时它们的反应物被耗尽或它们的电极被降解，并且必须充电或更换。另一方面，在燃料电池方面，反应物如燃料和氧化剂是外部供应的
而不是封闭在电池中，假如没有泄露或腐蚀，只要燃料和氧气不断供应，燃料电池中的电能就会不断产生。此外，燃料电池更小、更轻，比电池更容易加油，因此更容易以更大规模实施。（燃料电池与电池的不同：性质、外形以及实施规模）
本次综述的主要目的是讨论最新发现和未来的研究和发展的趋势。氢能是一种非常有前途的未来替代能源，而作为最清洁，最有效的氢能转换装置，PEMFC系统的控制在其商业化中至关重要讨论首先回顾了最常见的到目前为止已经研发出来的燃料电池类型和应用。随后简要讨论了质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的结构和工作原理，以了解如何更有效地控制系统。对于不同的PEMFC控制子系统，实施不同的控制策略，如反应物，热、水管理和电力控制子系统是批判性的讨论。以前的评论主要集中在电力控制子系统而没有考虑关于突然电流需求期间燃料不足对PEMFC耐久性的影响及其纠正措施。目前的工作通过回顾已采用的控制策略来解决突然的电流需求造成的燃料不足问题，如果不对其加以控制的话可能会损坏PEMFC。最后，针对已经使用的几种控制策略的优点进行了广泛的讨论
以避免PEMFC系统中的燃料不足。（本文解决的问题：突然的电流需求造成的燃料不足问题
本文主要内容：针对该问题的控制策略的综述）
2.燃料电池类型和应用
第一个“燃料电池”是150多年前威廉格罗夫爵士发明的，当他发现“气态电流电池”时
可以通过用氢和氧水逆转电解来产生电力。术语“燃料电池”近半个世纪后首次由Mond＆Langer创造。燃料电池是通过电化学方法利用空气中的氧转化燃料（如氢和甲醇）中化学能为直流电的电化学装置。因为燃料电池工作过程不涉及燃烧，其效率更高比等效功率的热发电机更安静。此外，它也是一种清洁技术，因为当纯氢用作燃料时，电化学反应的副产物仅为水和热。因此燃料电池的低化学，热和碳氧化合物使其成为降低碳排放强度的极具吸引力的技术。
六种主要类型的燃料电池是质子交换膜燃料电池（PEMFCs），直接甲醇燃料电池（DMFCs），固体氧化物燃料电池（SOFCs），熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs），磷酸盐酸性燃料电池（PAFCs）和碱性燃料电池（AFCs）。一种新兴的燃料电池，微生物燃料电池（MFCs）近年来的到了来自燃料电池研究人员的兴趣。燃料电池的基本设计除电解质和燃料外，和电池几乎相同。
PEMFC是迄今为止最有前途的燃料电池技术因为它们工作温度低，噪音低，启动能力快，质量轻，功率密度高[13,14]。 在医院，酒店和办公楼，PEMFC因其紧凑设计（1 kW-5 MW）已被用于小型分布式发电机。它们也用于便携式笔记本电脑，手机和录像机等电子设备，因为它们比电池更轻更小。与电池相比，操作更长，响应时间更快并且不需要从电网充电（20-100 mW）。
但是，近年来DMFC在很大程度上取代了移动设备中的PEMFC，因为前者使用的液体燃料
如甲醇可以更安全有效地处理，且与氢相比较数量更少。最重要的是PEMFC的潜在大规模应用是在运输中，比如公共汽车，汽车和摩托车，因为化石燃料价格由有限的化石燃料而增加，而且世界上许多国家对运输上碳排放强度的减少的立法更加严格。（5-500kw）
虽然PEMFC已经过了示范阶段并且开始进入商业化阶段，但在PEMFC商业化真正之前，仍有一系列挑战需要克服。。今天，关于PEMFC的研究主要集中在提高PEMFC性能，同时通过减少Pt催化剂的用量降低成本以开发更便宜的电极和双极板替代品材料，进行稳态系统分子以及PEMFC系统的混合。
3. PEMFC的基本结构和工作原理
基本的PEMFC电堆由膜电极组件（MEA）组成，膜电极组件由双极板夹在中间，由垫圈密封，两端由集电板包围，由几个螺栓和螺母固定，如图1所示。 MEAs在PEMFC的核心，由夹在两种类型的电极：阳极和阴极之间的质子交换膜组成，每当供应氢气和空气时，阴极和阳极就会发生电化学氧化还原反应并产生电能。
图1
双极板通常由低孔隙率聚合物石墨复合材料制成，其中均匀分布氢气和空气，MEA的阳极和阴极分别通过机器或模塑气体通道或流场同时通过邻接阳极和阴极传导电子
后一个功能给予双极板他们的名字。流场可以是直的，蛇形的，并行，互相交叉或固定的。垫圈密封PEMFC电堆以防止气体泄漏或混合因为双极板之间泄漏，可能导致危险情况。集电极通过负载从末端阳极到相应的末端阴极导出电流，并且在如图1所示的过程中产生电能。
膜电极组件（MEA）处的电极通常由气体扩散层制成
气体扩散层是由碳纸或布组成的，催化剂层则包括催化剂（如阳极上的Pt和阴极上的Pt-Ru），它们浸渍在碳材料上，如活性炭（ACs），碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs）
。氢的氧化反应发生在阳极的pt催化剂处： ；氧的还原反应则发生在阴极的pt-ru催化剂处： ；PEMFC的总反应是： 。
质子交换膜或固体聚合物电解质通常是一种不透气、不导电的质子传导聚合物，如全氟磺酸（PSFA）或Nafion， 它是一种优良的质子导体，可以保持气体渗透和电子短路到最小，但其有效运行温度限制在80-90℃。膜将质子从阳极传导到阴极以完成电回路，电子从阳极通过外部负载传导到阴极，两者都与氧气反应形成水。
从理论上讲，单个燃料电池在开路时会产生1.23 V的电位，但是当连接到负载时，它会随着负载流过电流的消耗而减小，通常工作电压范围为0.6至0.7 V.电压损耗由几个因素引起：在阳极和阴极处缓慢的电化学反应引起的活化极化、由氢交叉或电子短路引起的欧姆极化、
当两种反应物迅速消耗并且由细胞内阻引起欧姆损失时通过两个电极处的氢和氧浓度梯度
导致的质量传递极化。损失显示在图2。可以从单个燃料电池通过增加MEA的有效面积获得更大的总电流。
图2
4. PEM燃料电池系统控制
但是，PEMFC系统的大多数应用需要更高电压和电流，或比单个燃料电池可以提供的更高的功率。因此，为了获得更高功率的系统，PEMFC的多个电池必须堆叠在一起形成一个PEMFC电堆，串联以获得更高的总电压，并联以获得更大的总电流。在PEMFC电堆电量不足的主要原因中，应该考虑到PEMFC系统的控制策略。
所有PEMFC电堆中电极的极化现象都会在系统的负载通过更多电流时降低电池组可以提供的电压，从而降低那些需要固定电压才能正常工作的电器或设备的性能。因此，PEMFC电堆的输出电压必须由操纵氢气和空气流速或使用外部装置（如电池或超级电容器或两者兼用）提高电压的方法控制在低温下，电堆也会降低燃料电池的动态性能，很难快速启动PEMFC堆栈，这种现象被称为慢冷启动。
此外，将多个燃料电池堆叠在一起产生了一个较大的反应热会增加燃料电池的温度，如果不加控制，可能会使膜软化并最终破坏，这是单个燃料电池中不存在的问题，因单个燃料电池中通过空气自然对流将其热量充分去除。而且，氢气和空气必须以同样的压力和速度均匀地分配在各个燃单体电池的阳极和阴极处，以获得均匀的电流和电压，这在PEMFC电堆中是不容易实现的，除非适当考虑控制它。
另外，在关闭相对较长的一段时间后启动燃料电池堆可能需要清除累积的从大气层渗入阳极
的氧气，并与之前一个操作循环中剩余的氢气混合，这可能导致异常高的起动电压并使阳极迅速降解。
由于燃料电池堆运行时需要水来充分润湿膜，以产生更大的电流和因此更高的功率，而阴极的电化学反应可以产生水，各种通过回收过量的水淹没氢气和空气而没有用液态水淹没电极
加湿方式的控制，都会降低燃料电池堆性能。
4.1 PEMFC系统子系统
PEMFC系统的第一个控制策略是通过操作或设置适当的操作参数（如湿度、氢气和空气的流速、防止燃料不足和电堆温度）有效地改善电堆中的电化学反应；;在启动时吹扫阳极提高电堆的耐用性，从而防止高启动电压与PEMFC电堆的损坏
第二个策略是确保电池在固定系统输出电压甚至在极化造成电流与电堆电压下降时情况下连续运行，这可以通过电池或超级电容器改善PEMFC系统性能的方法实现。
通常，PEMFC系统可以分为至少4个子系统，如图3所示：
1.反应子系统。
2.热子系统。
3.水管理子系统。
4.电力子系统。
图3
4.1.1反应子系统
在反应子系统中，反应物如氢气和空气都是以一定的化学计量比送入PEMFC堆电，在那里它们反应产生电能和水。氢气通过使用燃料处理器供应给PEMFC的阳极，通常使用天然气或甲醇蒸汽重整器，从天然气或甲醇产生氢气，或直接取自加压氢气罐，PEMFC电堆的出口压力由PEMFC电堆出口处的背压调节器控制。另一方面，使用鼓风机或压缩空气罐在PEMFC的阴极供应空气，控制进气压力以提供所需的空气流速从而达到指定的氢 - 空气化学计量比。然而，确定PEMFC电堆出口处的氢气压力及其流量，空气供应入口压力和流量都很复杂 ，因为氢气和空气压力增加使得电化学反应的反应动力学增加，导致更高的功率密度和更高的电堆效率，但因为寄生功率需求的增加，PEMFC系统的净功率会更低。在PEMFC电堆中没有足够的功率，电池组电压将会下降，导致高电流密度并可能会损坏电堆。
此外，氢气和空气通常以固定指定的量和固定的化学计量比供应，而这些量足以产生PEMFC系统的额定功率。然而，固定燃料 - 空气管理的困难在于它无法跟踪PEMFC系统的电流和功率变化，因为负载需求的变化特别是在负载需求变化更加频繁的汽车领域的应用。这种复杂现象可能导致氢气不足，并损坏燃料电池膜和催化层电极。因此，更好的PEMFC系统操作需要更高效的氢气-氧气供应管理系统，以提高氢气使用效率和整个系统的效率。（氢气与氧气的量与配比的重要性）
4.1.2热管理子系统
在PEMFC发电中电化学反应产生能量的近一半不是电能而是反应热。需要更加注意热管理子系统的原因在于它们在PEMFC的适当操作并延长其使用寿命中起着至关重要的作用。
为了保持最佳的电化学反应并保持PEMFC电堆材料完整性，操作电堆的温度应保持在适当的范围内。不均匀的温度分布可能导致电化学反应速率的变化并影响反应物气体中水的蒸发和冷凝。在更高的温度下，PEMFC系统性能更好，因为电化学反应更快，如图4所示。但是，如果温度太高，膜会脱水、收缩、皱折或破裂。由于干膜的欧姆电阻更高，输出电压将降低。此外，受损的膜可能会导致电压下降至低于适当的范围，淹没电极并导致PEMFC的性能和效率下降。因此，
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资料编号：[1176]
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