PIC18F2580单片机基于LabVIEW的燃料电池测控系统研究(2)
4.2 模糊控制 18
4.3 模糊控制器设计 21
4.4 本章小结 26
5 基于LabVIEW的PID及模糊控制仿真 27
5.1 LabVIEW简介 27
5.2 基于LabVIEW的仿真系统模块设计 27
5.3 PID控制器的设计与仿真 29
5.4 模糊控制器的设计与仿真 31
5.5 本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
1 引言
1.1 本文研究背景及意义
1.1.1 研究背景
氢能作为一种干净无污染的新型能源，具有以下特点：它存储量大，能量转化率高，可循环使用。因此，各国都非常关注和看重氢能的研究和开发，并给予了大力的支持，包括人员的支持，物质方面的支持和财政方面的支持。研究重点集中在开发一种能够高效使用氢能的装置，燃料电池（Fuel Cell）就是可以高效使用氢能的一种装置[1,2]。
燃料电池的构成包括电池的阳极，阴极和电解质[3,4]。这三个构成部分的作用分别是：阳极是氧化反应的场所，由燃料参与反应；阴极是还原反应的场所，由氧化剂参与反应；电解质则把阳极和阴极隔开，并且给溶液中质子的运动提供了一个通畅的道路，而溶液中的电子和燃料电池构成了电路的回路，这个回路的构成是以电子经由外面的电路转移做功为前提的。上述燃料电池的作用原理使其能够以非常高效的方式转化能量，转化率能达到40%~60%，并且非常清洁。因此，人们一致认为燃料电池是21世纪应该优先考虑和选择的无污染、高效率的发电装置[5,6]。
常用的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转化效率高、清洁无污染、寿命长、工作温度低、启动速度快、燃料来源广和环境友好等特点，是目前研究最广泛的一种燃料电池，具有广泛的应用前景。根据冷却方式的不同，质子交换膜燃料电池堆可分为空气冷却和循环水冷却两种类型，风冷型电堆具有结构简单，系统自身能耗小等特点，在小型电源研究方面具有良好的应用前景[7]，本文的研究对象为百瓦级质子交换膜燃料电池，对于这种小功率的PEMFC，运行过程中产生的热量并不多，所以通常采用空气冷却作为降温方式，即通过风扇转动带走反应生成的热量，调节风扇电压改变风扇转速，实现温度控制。这种冷却方式的优点是结构简单、成本低廉、便于软件实现[8]。
1.1.2 PEMFC简介
1、PEMFC的原理
质子交换膜燃料电池一般采用氧气或者空气作为阴极气体，氢气作为阳极气体，采用铂(Pt)或碳载铂(PtC)作为催化剂。氢气经过扩散层后到达催化层，在铂(Pt)的催化作用下，反应生成氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜的传输到达阴极，在催化剂作用下与氧气和外电路转移过来的电子反应生成水[9,10]，如图1.1所示。
图1.1 PEMFC燃料电池原理图
2、PEMFC的结构
一个完整的PEMFC电堆是由很多单个的电池交叉堆叠以及互相组合而成的，本论文所研究的PEMFC电堆由18片单电池构成。如图1.2所示。
图1.2 PEMFC电堆示意图
单电池由三个部分构成：质子交换膜、扩散电极（GDL）和双极板（BP）[11]。扩散电极被放在质子交换膜两侧，和质子交换膜一起构成膜电极组件（MEA），构成PEMFC电堆需要将MEA与双极板交替叠合，并在各单体电池之间嵌入密封件，前后分别用板压紧再用螺杆紧固拴牢[12]。
1.1.3 本文的研究意义