可再生能源氢能堆高效简化型多堆燃料电池系统(MFCS)空气供给系统的创新设计与解耦控制

本文针对多堆燃料电池系统(MFCS)在可再生能源发电中面临的结构复杂性与参数耦合难题，提出创新型集成空气供给结构：通过单台空压机调控缓冲压力，结合背压阀控制质量流量，使系统结构简化43%功耗。创新性设计部分前馈解耦内模控制器(PFD-IMC)，相较传统PI控制实现质量流量超调降低62.6%、压力波动减少69.4%，显著提升动态响应与系统净功率。

　　

亮点

本研究突破性设计了MFCS集成空气供给系统，采用"单空压机+多背压阀"架构，革命性替代传统多比例阀配置。通过精准调控缓冲罐压力与各电堆质量流量，实现系统功耗骤降43%，为可再生能源氢能系统提供高性价比解决方案。

设计描述

如图3所示，创新性并联缓冲罐结构确保各电堆压力一致性。高功率空压机作为中央"压力调节器"，配合智能背压阀组成分布式流量控制网络，成功消除传统系统中冗余的比例阀配置。这种"中枢-末梢"协同设计大幅降低系统复杂度，为后续解耦控制奠定物理基础。

数学模型

建立的MFCS空气供给系统数学模型包含空气过滤器、空压机、中冷器、三通阀等关键组件动力学方程。特别地，缓冲罐压力微分方程与电堆流量方程的耦合关系被精确量化，揭示出压力-流量强非线性交互作用的数学本质，为控制器设计提供理论依据。

控制器设计

提出的PFD-IMC控制器展现卓越性能：

1. 1.

   采用部分前馈结构巧妙规避全前馈(FFD-IMC)的计算复杂度

2. 2.

   质量流量阶跃响应实现零超调，调节时间缩短62.6%

3. 3.

   缓冲罐压力波动抑制效果达69.4%，远超传统PI控制

4. 4.

   在动态工况下保持鲁棒性，验证了其在可再生能源波动场景的适用性

新旧方案对比

与传统方案(图7)相比，新设计突破性地：

• •

  废除各电堆入口比例阀，改用出口背压阀控制

• •

  缓冲压力从固定3bar改为动态优化调节

• •

  空压机功耗降低43%的同时提升净功率输出

  实验数据证实，该方案在变载工况下仍保持稳定氧过量比(OER)，完美适配可再生能源发电的间歇性特征。

结论

本研究为MFCS空气供给系统提供"结构简化-控制优化"一体化解决方案，PFD-IMC控制器成功解决多参数强耦合难题。实际测试显示系统在动态工况下净功率提升显著，为可再生能源氢能发电装备的工程化应用提供关键技术支撑。