摘 要

随着国家经济水平的提高，关于环境保护的问题正逐渐得到重视。尾气排放作为影响环境的一大主要因素，相关排放指标也正在受到越来越严格的政策与法规的控制。此时，工作产生污染接近于零的燃料电池引起了大家的注意，也有很多企业将燃料电池发动机的相关研制作为重点研究内容，但其商业化及实用化却仍受到许多因素的限制。其中最为典型的便是燃料电池发动机的成本控制以及其可靠性的提升，作为一种新兴的能源，氢气的安全性仍然无法被大众接受，许多用户担心氢气造成爆炸等事故。而想要控制安全事故的发生并且在安全事故发生时做出紧急措施，控制系统的设计则显得格外重要，通过优化控制系统的控制，可以使燃料电池发动机系统更加稳定，同时使系统的相关参数的到实时监控，防止危险情况的出现，保证用户的人身及财产安全。本文的主要研究内容如下：燃料电池各个子系统的设计，如氢气供应系统、空气供应系统、温度控制系统、水管理系统以及报警系统的设计，通过各个子系统的功能实现控制系统的控制，同时对燃料电池发动机的结构及功能做出了介绍。以及在报警系统中需要提前预测各个紧急情况并给出了相应的解决方案。

具体介绍本系统中主要用到的各种传感器的工作原理及特性，通过分析在各个子系统中需要用到传感器的种类及其使用工况，选择出不同工作原理的传感器，使系统中各个参数的检测更加有效并且足够精确。

对控制系统的设计方案做出相关说明，并且在两种主要的控制系统设计方案中，根据燃料电池发动机的工作特点及其工作场所，对设计方案做出选择，并在相应基础上对设计做出相关的优化。

本文通过对燃料电池发动机的结构上以及在控制上研究能够进一步优化控制系统的方法，希望能够提高控制系统对发动机的可靠性及稳定性，从而推动燃料电池发动机的实用化以及商业化。同时也希望通过报警系统的优化预防燃料电池发动机所造成的安全事故。

关键词：燃料电池；发动机；控制系统；可靠性

Abstract

With the improvement of the national economic level, the issue of environmental protection is gradually gaining attention. Exhaust emissions are a major factor affecting the environment, and relevant emission indicators are also being controlled by increasingly stringent policies and regulations. At this time, the fuel cell with pollution close to zero has attracted everyone's attention. Many companies have focused on the research and development of fuel cell engines, but their commercialization and practical use are still limited by many factors. The most typical of these is the cost control of fuel cell engines and the improvement of their reliability. As an emerging energy source, the safety of hydrogen is still not accepted by the public. Many users are worried about accidents such as hydrogen explosion. However, in order to control the occurrence of safety accidents and make emergency measures when safety accidents occur, the design of the control system is particularly important. By optimizing the control of the control system, the fuel cell engine system can be made more stable, and the relevant parameters of the system can be made. To real-time monitoring, to prevent the occurrence of dangerous situations, to ensure the safety of the user's personal and property. The main research contents of this paper are as follows:

The design of each subsystem of the fuel cell, such as the design of the hydrogen supply system, the air supply system, the temperature control system, the water management system, and the alarm system, realizes the control system control through the functions of each subsystem, and at the same time, the structure of the fuel cell engine and The function was introduced. In the alarm system, it is necessary to predict various emergencies in advance and give corresponding solutions.

The working principle and characteristics of various sensors mainly used in this system are introduced in detail. By analyzing the types of sensors that need to be used in each subsystem and their working conditions, sensors with different working principles are selected to make various parameters in the system. The detection is more efficient and accurate enough.

The relevant design of the control system is explained, and in the two main control system design schemes, according to the working characteristics of the fuel cell engine and its working place, the design scheme is selected, and the design is related on the corresponding basis for optimization.

In this paper, we can further optimize the control system by studying the structure and control of the fuel cell engine, and hope to improve the reliability and stability of the control system to the engine, thus promoting the practical and commercialization of the fuel cell engine. At the same time, it is also hoped to prevent safety accidents caused by fuel cell engines through the optimization of the alarm system.

Key words:fuel cell;engine;control system;reliability

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1燃料电池发展现状 2

1.3.2燃料电池发动机控制策略研究现状 3

1.4研究内容 4

1.5研究方法 5

第2章 控制对象的设计 6

2.1氢气供应系统设计 7

2.2空气供应系统设计 9

2.3温度控制系统设计 10

2.4水管理子系统设计 12

2.5安全及报警系统设计 13

2.6控制器的输入输出信号 15

2.6.1氢气系统的输入输出信号 15

2.6.2 空气系统的输入输出信号 15

2.6.3温度控制系统的输入输出信号 16

2.6.4水管理子系统的输入输出信号 16

2.6.5其它需检测的输入信号 16

第3章 燃料电池发动机系统传感器分析 17

3.1温度传感器 17

3.1.1测温原理 17

3.1.2金属热电阻测温计 18

3.1.3金属热电阻的结构 19

3.2压力传感器 19

3.3流量传感器 21

第4章 控制系统设计 23

4.1主要设计方案介绍 23

4.1.1集中式设计方案 23

4.1.2分布式设计方案 24

4.2控制系统设计方案的选择 24

4.3控制器的选型 25

第5章 总结与展望 27

5.1全文工作总结 27

5.2后续展望 27

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来，环境污染、能源短缺、气候变化等问题日趋严重，而造成这一现象的原因很大一部分是化石燃料的使用。化石燃料的燃烧排放出的废气包含氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）、一氧化碳（CO）等^[1-3]。其中颗粒物已经被证明会导致呼吸道感染，哮喘疾病加重甚至对小孩的肺的发育和功能都会产生较大影响。二氧化碳是温室效应气体，很早以前就被人们所关注，随着二氧化碳的大量排放，温室效应日益严重，气温逐年升高，造成大范围的冰雪融化，而二氧化碳中有 25%来源于汽车尾气。并且汽车的排放物也造成了光化学烟雾和酸雨等一系列严重的后果。

为了减少汽车尾气对环境的污染和能源的损耗，国家对发动机造成污染的把控也越来越严格，可是这些都没有从根源上解决问题，随着时间的推移，最终还会导致可怕的后果。正因如此，一系列新能源汽车便应运而生，新能源汽车也因此受到推广并成为大众偏爱的选择。但是电动汽车本身的局限性太多，如造价昂贵、电池容量小、充电时间长等，而燃料电池汽车便是较为清洁高效的一种，其中燃料电池使用氢气及氧气进行电化学反应，并不是直接燃烧，因此效率不受卡诺循环的限制，能量转化效率高达40%~60%，可提高氢能的利用率。燃料电池发动机把氢气作为燃料，与空气中的氧气产生电化学反应，将化学能转化为电能，同时生成无污染的水。因其充电快，污染小，运行平稳、无噪声，航行里程高等优点被认为是解决环境污染、能源短缺等问题的理想途径，燃料电池汽车也逐渐成为购车者的热门选择之一^[4-6]。在燃料电池汽车中，除燃料电池本体外，控制系统也是十分关键的部分之一，控制系统的作用是通过信号的接收与传输实现对燃料电池反应气体流量、压力、湿度及燃料电池温度的控制，燃料电池的工作状态的控制、维持燃料电池各个子系统稳定运行以及对燃料电池系统进行状态监控、对故障的诊断及发生故障时的纠正^[7]。

1.2研究目的及意义

电动汽车本身的局限性太多，如造价昂贵、电池容量小、充电时间长等。相较于纯电动汽车，燃料电池汽车便是较为清洁高效的一种，其充电时间更短、续航里程更长、更为清洁环保。

并且它不经过热机过程，因而其效率不受卡诺循环限制，能量转化效率高达40%~60%，可提高氢能的利用率；更为重要的是它对环境友好的特点，在燃料电池工作过程中几乎不排放硫氧化物和氮氧化物，在以氢气为燃料的燃料电池中产物更是只有水。若将其大规模生产并广泛用于汽车发动机，可以很大程度地改善全球环境。

图1.1 燃料电池汽车动力链

但燃料电池想要大范围推广仍存在着许多难题，其中最为典型的便是其可靠性，想要让燃料电池汽车商业化、市场化，其可靠性必须得到一定的保障^[8]。由于H₂的特有活性，系统出现故障时，具有一定可能性会引起燃烧甚至爆炸，从而造成人员伤亡，因此想要推进燃料电池商业化的进程，就必须有效地提高其可靠性，减少燃料电池的故障，使大家相信燃料电池的相对安全性。 而为了达到这一目的，作为燃料电池发动机的中心枢纽，控制系统的优化显得极为重要，控制系统的实时控制及应急处理都对可靠性极为重要。

1.3国内外研究现状

1.3.1燃料电池发展现状

燃料电池作为利用氢能的发电装置，主要被运用于汽车及航天领域。最初采用聚苯乙烯磺酸膜的PEMFC在20世纪70年代被成功地运用于航天领域，也正因这一突破，最初不被大家熟知和看好的燃料电池开始得到更多的关注，也有更多的科学家专注于燃料电池的研究。当时，各个国家将研究重点放在了通过熔融碳酸盐燃料电池以及磷酸燃料电池构建电站发电上，同时这一举措也取得了不错的成效^[9]。

在1960年，杜邦公司成功研发了含氟的质子交换膜，将该质子交换膜用于燃料电池中，大大提高了燃料电池的可靠性及寿命，但成本仍然是未得到解决的重要难题之一。1983年，巴拉德公司得到加拿大国防部的资助后，开始大力研发PEMFC燃料电池，在美、加两国的共同努力下，研发出了具有优秀性能的Nafion膜，同时提出了采用碳/铂催化剂代替纯铂催化剂，在一定程度上降低了质子交换膜的成本，并且实现了现在广泛使用的MEA组件^[10]。之后燃料电池开始广泛运用于城市客车及潜艇的动力装置，但基于成本等的考虑，仍未在轿车上大批量投入使用。

2014年，日本丰田推出了首款燃料电池量产车Mirai，其在燃料电池的研究上已拥有较为成熟的技术，同时Mirai不仅在一定程度上克服了储氢安全等问题，还使其具有较高的功率密度，气体扩散性等^[11-12]。该车在燃料电池的商业化上具有里程碑式的意义，其经过五代的优化，不仅减少了电堆的数量以及整车的尺寸与重量，还使车的成本得到了大幅控制。同时，丰田也正在与中国的诸多企业寻求合作，争取在中国通过商业车推广燃料电池技术。

图1.2 丰田Mirai汽车结构

在我国，“九五”“十五”期间，燃料电池就已经被作为重大科研项目列入国家科技项目内，也同时确定了三横三纵的科研布局。1998年，清华大学联合北京理工大学，共同开发了一款微型商用车，并成功使用。2006年，大连化学物理研究所就已成功研发出两辆燃料电池为动力的观光车，并成功投入运行。2008年，同济大学自主研制的20辆燃料电池轿车以及来自全国各地的共计500辆汽车共同在北京奥运上上得到了展示^[13]。同时，工信部也在日前明确了燃料电池的发展地位，并已将其充电设施及加氢装置等列入重点研究领域。燃料电池在日后很长一段时间都将作为新能源汽车中的一个重要部分被研究和开发。

1.3.2燃料电池发动机控制策略研究现状

在国内外目前对于燃料电池发动机的控制方法主要有使用比例积分微分控制的经典反馈和前馈控制、自适应控制、模型预测控制、神经网络控制、模糊逻辑控制（FLC）、FLC和PID等。其中使用比例积分微分控制的经典反馈和前馈控制简单而且成本低，经常用于防止氧气不足，但较慢且固有地不准确或随时间抵消。

自适应控制是自动适应系统参数的实时变化的一种控制策略，这是一个修改的反馈“PID控制”，迅速迫使化学计量比误差达到，然后到达并保留在其滑动表面上，这代表了PEMFC电堆所需的非线性动态，并最终迅速达到稳定状态。其通过对系统所产生的最新参数进行实时估计，并将估计值迭代入系统控制器中，因而具有较快的响应速度且较为准确。

图1.3 自适应控制流程

张琴等以燃料电池实时工作在最优化状态为目标，设计出了一种基于神经网络控制的预测控制。谢长君等人在深入研究燃料电池工作时的功率分配后发现，难以找到一个控制方法使不同工作模式下电池的功率分配均得到优化，因而提出了一种多控制策略相综合的控制策略^[14]。

徐陈锋等运用模糊控制优化了自适应控制, 模糊控制现在已成为一个重要的用于控制燃料电池中空气和氢气流量的过程控制技术，因为它可以使用人类专家的简单规则或启发式算法控制燃料电池的复杂非线性过程，而无需完全理解这个过程。其利用模糊控制以区分出燃料电池的工作状态以及功率范围,对控制器所输出的增益进行模糊化后输出,从而对负载产生的功率进行实时更新 ,并且使制动所产生的能量得到回收及利用,并通过仿真及实验对结果的有效性进行了验证。

倪如尧等指出模糊逻辑控制还可与PID控制器配合使用以改善燃料电池性能，性能已被证明明显优于传统的PI控制^[15]。而现在各种智能控制也广泛用于燃料电池发动机的控制，c.hsen等建立了基于径向基神经网络的熔融碳酸盐系统的温度辨识模型,并运用自适应模糊控制算法进行熔融碳酸盐系统的温度在线温度控制。J..TPkuursPhna等采用查空压机MAp的前馈控制和线性反馈的最优闭环控制,实现了包括系统管路模型的发动机控制。L.c.I~等利用cMAc神经网络前馈控制和传统的PDI闭环反馈实现了车用燃料电池燃料处理器的智能控制。

1.4研究内容

对燃料电池发动机各个子系统进行设计，并且展现了子系统中各部件的运行作用及功能。通过控制器对各个子系统的工作部件控制，实现控制的有效性及安全性。

对系统中所用到的主要传感器做出了选型，根据不同传感器的工作环境及其所需实现的功能，选择不同工作原理的传感器，使其满足控制系统的使用范围。

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