PEMFC的最大运行功率和广义预测控制

目前正在研究的一个重要问题就是如何使质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统输出功率最大。然而,功率密度和很多因素相关,如电池的输出电压、燃料电池温度、阳极和阴极的压力及进气的湿度等,而且有着复杂的非线性关系。如果假定了电池输出电压和工作温度的范围,在此范围内,用二次多项式来拟合功率密度曲线并估计了燃料电池的最大功率点,再在广义预测控制(GPC)中增加了问题遗忘因子递推最小二乘法(FFRLS),以此来解决PEMFC各方面特性会随时间实时变化这个问题。基于近似拟合和广义预测控制方法,可以找到质子交换膜燃料电池的最大功率点,并使燃料电池一直保持工作在最大功率点,且当前消耗的氢气量最少。     

质子交换膜燃料电池电堆系统建模与控制研究

首先介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)的单体结构和工作原理,并针对PEMFC电堆系统的复杂性,提出PEMFC电堆系统结构,系统结构包含PEMFC反应物供应、过程调节、水/热管理、输出调节和系统控制。然后在已有的PEMFC机理模型和经验模型的基础上,详细分析PEMFC电堆系统的数学建模,给出PEMFC电堆系统结构条件的划分、变量空间的建立、参数的选择和模型辨识。最后讨论PEMFC电堆系统控制的现状和发展,研究PEMFC电堆系统控制的特点,从应用的角度出发,提出基于模糊推理控制和广义预测控制的PEMFC电堆系统控制的可行方案。     

基于BP神经网络的PEMFC稳定性及动态性预测

研究了PBI/H_3PO_4体系高温质子交换膜燃料电池(PEMFC),将其在不同压力、温度、阴极气体和负载下的稳态电位响应数据及该体系对压力变化、温度变化的动态电位响应数据作为训练数据,建立以Matlab/Simulink和BP神经网络为基础的高温下PEMFC的稳定性能和动态性能的预测系统。通过所建立的神经网络模型对电池的稳态电位输出和动态电位响应进行模拟,结果表明,所建立的模型可以对电池的稳态及动态行为进行准确模拟,这为PBI/H_3PO_4体系高温PEMFC的控制及性能预测提供了一定的参考。     

质子交换膜燃料电池水热管理特性研究

质子交换膜燃料电池水热管理问题是影响电池输出性能的一个重要因素。建立了带冷却流道的三维、两相、非等温单直流道PEMFC模型,并运用计算流体力学(CFD)对燃料电池进行数值模拟,以温度、物质质量分数、膜水含量等水热管理关键因素揭示电池内部传质传热过程和电化学特性。同时研究了不同反应气体进气方式、冷却水流动方向及冷却水温度对PEMFC输出性能的影响,为燃料电池的水热管理优化、实现产业跃进式发展提供参考。结果表明：若燃料电池产物水未及时排除,阴极侧流道尾端易出现水淹现象;当PEMFC采用同向顺流或同向逆流模式时,当冷却水温度等于电池工作温度(353 K),膜温度和水含量分布较为均匀,燃料电池的输出性能较好。     

PEMFC的通用稳态电压模型的开发

为了进行电池控制设计而为电池输出电压建立模型。在分析大量文献的机理模型和经验模型的基础上,将机理和经验两种建模方法良好结合,重点是改进电池膜阻抗部分的模型,目的是使得到的PEMFC电压模型因为基于机理基础而具有灵活的有效性,同时又有经验的形式而具有适合控制的简单性。多组PEMFC实验数据的验证表明,提出的膜阻抗模型能够在电流密度为0～0.9A/cm的范围内准确预测各种Nafion117膜的阻抗,电压模型能够在很大的电流密度范围内,适用于具有不同反应面积和不同特点Nafion膜的PEM燃料电池,因此是PEM燃料电池发电系统仿真和设计分析的一个很有用的工具。     

基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电堆温度控制系统,提出一种基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制器设计方法。首先建立PEMFC的电堆温度模型,并对模型进行非线性变换。根据变换后的模型设计扩张状态观测器,利用扩张状态观测器得到电堆温度的动态过程,并将得到的动态过程信息补偿到控制器中。所设计的控制器不需精确的PEMFC内部传热过程,是一种不基于模型的控制器设计方法,且算法简单,工程实用性强。仿真结果表明所提出的控制方法适合PEMFC电堆温度控制系统的设计,并具有较好的控制效果。     

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池--水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据.模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律.通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上.建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实.     

PEMFC发电系统稳态电压模型研究

从电化学的角度分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的极化特性,在此基础上针对其主要工作区在欧姆极化段的特点,通过测算出不同温度、操作压力条件下的等效热力学电动势与电池堆内阻,建立了一个简单实用的稳态电压模型。最后通过对一个500 W的PEMFC发电系统的稳态负载实验,验证了模型的建立是可行和合理的。     

基于广义预测的三相四线制APF控制策略研究

针对有源电力滤波器(APF)系统自身同有延时造成APF补偿性能下降问题,提出了一种基于广义预测控制(GPC)策略。根据GPC理论,设计了三相四线制APF预测控制结构模型,建立了APF的受控自回归积分滑动模型。在此基础上讨论GPC预测控制器的设计方法,实现了对三相四线制APF电流的预测控制。设计了最优控制规律。仿真试验结果表明,广义预测控制具有较好的跟踪能力,克服了系统延时造成的网侧电流存有毛刺的现象。     

PBI/H3PO4体系高温PEMFC的性能预测

使用实际测量的PBI/H3PO4体系高温PEMFC,在不同温度、压力、阴极气体和负载下的稳态电位响应数据(500组)与该体系对温度变化、压力变化的动态电位响应数据(500组)作为训练数据,建立了基于BP神经网络和Matlab/Simulink的高温PEMFC稳定性能和动态性能的预测系统。利用神经网络模型模拟电池的稳态电位输出和单变量(温度或压力)动态电位响应。仿真结果表明:该模型能准确地模拟电池的稳态和动态行为,为PBI/H3PO4体系高温PEMFC的性能预测和控制提供了一条可行的途径。