空冷型PEMFC发电系统实时最优温度自适应逆控制

针对空冷型PEMFC发电系统工作温度对输出性能影响问题,通过实验手段研究工作温度对系统输出性能的最优特性。由于空冷型PEMFC发电系统温度控制对象所具有的非线性、时变等特点,提出基于自适应逆控制的空冷型PEMFC发电系统实时最优温度控制。其中,递推最小二乘在线辨识算法用于对非线性控制对象进行建模和在线校正,最小均方算法用于在线调整逆控制器的参数。在搭建的空冷型PEMFC发电系统测控实验平台上对控制方法的性能进行验证。实验结果表明:提出的控制方法能够在不同负载条件下实现对电堆最优温度实时跟踪。而且,提出的控制方法对PEMFC参数不敏感,可以应用于类似的空冷型PEMFC发电系统。     

阴阳极饥饿对PEMFC单电池动态性能影响

该文以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)单电池为研究对象,研究不同的氢氧饥饿程度条件下,PEMFC单电池极化曲线、功率密度和高频阻抗的变化。该研究结果表明,氧饥饿对PEMFC单电池性能有显著影响,减小空气过量系数,极化曲线下降速率加快,最大功率密度减小,单电池性能衰减加快;而氢饥饿对PEMFC单电池几乎无影响,只有当氢气过量系数降至1.1时,PEMFC单电池的输出性能略有提高;阴阳极侧的交流阻抗随着气体过量系数的减小均表现为增加的趋势。     

空冷型PEMFC电源系统热耦合实验研究

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电源系统中燃料电池系统和金属储氢器的热耦合管理对系统会产生重要的影响。本文通过实验分别研究将金属储氢器前置和后置这两种与燃料电池系统不同的耦合方式对燃料电池输出性能、单电池电压的均衡性以及风扇功耗的影响。结果表明,这两种不同的耦合方式对燃料电池输出性能、单电池电压的均衡性影响很小,但是对风扇功耗的影响比较明显。这主要是由于储氢器前置时空气先经过储氢器表面冷却再进入电堆,这有利于减少电堆散热所需的空气流量,从而降低风扇功耗。因此储氢器前置有利于降低系统辅助功耗,提高系统效率。     

空冷自增湿燃料电池最优控制方法研究

通过对影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)输出性能因素的分析,得出PEMFC电堆工作温度、电堆输出电流是影响PEMFC输出性能的主要因素。在输出电流一定的情况下,电堆工作温度是影响PEMFC输出电压的主要因素。为实现对空冷自增湿PEMFC的最优控制,采用实验测试及数据拟合方法,得到PEMFC电堆最优温度与输出电流的函数关系式,通过控制PEMFC电堆工作在最优温度,以实现PEMFC输出电压的最优控制。实验测试表明,该控制方法简单实用、控制效果优越,可为空冷自增湿PEMFC的最优控制提供具有实用价值的控制方法。     

数字式光伏模拟器的研究与设计

为在光伏实验系统中模拟光伏电池外特性,克服自然条件下多种环境因素的复合影响和功率器件性能差异对电池输出特性的影响,实现温度、光照强度改变等条件下光伏电池真实外特性的模拟。设计了一种基于三相AC-DC整流器结构的光伏模拟器,硬件部分基于三相电压型PWM整流器,软件部分基于单二极管光伏电池模型的模拟算法,详细推导了模型参数的计算方法;采用电压电流双环控制策略,保证输出电压的跟踪精度及响应速度,并加入负载电流前馈补偿控制,提升直流电压抗扰动性能。模拟器能够精确模拟光照、温度及阴影遮挡等条件下的光伏阵列外特性,电压控制偏差为±0.001 V,响应时间为20 ms。     

考虑环境温湿度的空冷PEMFC最佳工作温度研究与控制

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)属于阴极开放式燃料电池,无外部增湿装置,因此空冷型PEMFC阴极入口处空气的温度和湿度必然对燃料电池工作性能有着不可忽视的影响。通过实验研究空冷型PEMFC最佳工作温度与环境温湿度及输出电流之间的关系,分析不同环境温湿度和输出电流对空冷型PEMFC最佳工作温度的影响。最后设计空冷型PEMFC控制系统,根据得到的不同环境温湿度下的空冷型PEMFC最佳工作温度曲线,采用PID控制方法实现不同温湿度环境条件下的最佳工作温度控制。     

金属钙离子浓度对PEMFC性能影响研究

通过向PEMFC阳极添加3种浓度(即50、200、500 mg/L)金属钙离子溶液,研究金属钙离子浓度对PEMFC性能的影响。实验结果表明,随着Ca~(2+)浓度增加,燃料电池电压不断降低。在电流密度为500 m A/cm~2,相同的污染时间9 h的条件下,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染后的电池电压相对于未污染的电池电压分别降低了14%、29%、64%;燃料电池的最大功率密度随着金属Ca~(2+)浓度的增加而降低,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染9 h后的电池最大功率密度相对于未污染的电池最大功率密度分别降低了24%、33%、43%。电池经500 mg/L Ca~(2+)污染6 h,在500 m A/cm~2电流密度下恒电流放电2 h后,电池电压降低了58%。这些结果表明,Ca~(2+)及其浓度对PEMFC的电化学性能有显著的影响。     

小型质子交换膜燃料电池的增湿技术研究

分析了PEMFC电池内部水的生成和转移过程，列举了各种增湿方法，指出了几种外增湿法对小型氢空质子交换膜燃料电池进行增湿的优缺点和对电池性能的影响。     

基于PEMFC分布式发电系统的动态特性分析

分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的机理模型,在此基础上运用MATLAB的Simulink仿真工具,建立了PEMFC发电系统带负载模型。通过仿真,分析了负载对PEMFC电堆的各项动态特性(燃料的流量、效率、输出电压等)的影响,以及DC/DC、负载端的电压响应。仿真结果中负载电压呈三相交流正弦波形,表明搭建的整个PEMFC发电系统是基本正确的,为实现PEMFC并网的实时分析和动态优化提供了理论依据和参考方法。     

联合辅助负载和N_2吹扫停机策略的实验研究

为了快速消除电堆内残留的H2,通过实验研究对比分析直接停机、利用辅助负载停机和N2吹扫停机3种不同的停机方式对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的影响,并提出联合辅助负载和N2吹扫的停机策略。结果表明:该停机策略不仅可减短电堆维持开路高电压的时间,而且可避免燃料电池在启停机过程中氢空界面的形成,有利于延长电堆寿命和提高电堆耐久性,是一种十分有效的燃料电池系统停机控制策略。     

船体简谐振动下PEMFC气体扩散-电化学反应的动态响应

针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）船舶适用性问题，建立船体简谐振动条件下三维单流道PEMFC计算模型，并以计算流体力学为主要研究方法，仿真研究PEMFC在船体简谐振动情况下的动态性能变化，并通过组分运输过程以及电化学反应对振动条件下PEMFC的动态响应进行内在机制解析。结果表明：简谐振动下PEMFC在经过初始阶段响应后，呈周期性输出规律；船体振动会显著影响PEMFC内部组分传热传质，导致电化学反应无法正常进行，PEMFC性能出现衰变趋势，甚至造成电池饥饿现象；当振幅不变时，振动频率的增大会加剧该现象。     

基于多模型的Z型流道燃料电池的性能优化

建立三维质子交换膜燃料单电池（PEMFC）数值模型,探究Z型流道PEMFC流道参数（角度、宽度、深度）、运行参数（温度、氢气湿度、氧气化学计量比）对燃料电池性能的影响,并建立多神经网络（MNN）模型,对上述参数进行优化。研究结果表明,最佳流道参数为角度-宽度-深度为25°-1.15 mm-0.85 mm,最佳运行参数为温度-湿度-化学计量比为349.15 K-0.60-4.5。通过对比优化前后的Z型流道PEMFC的性能可看出,优化后的Z型流道PEMFC在稳态特性及瞬态特性方面得到明显改善。     

扩散层孔隙率对PEMFC性能影响的模拟研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,采用COMSOL软件,通过数值模拟得出气体扩散层不同孔隙率(0.2,0.4,0.6和0.8)时,单直通道和具有楔形肋片(长1 mm,高1.5 mm,宽2 mm)的PEMFC性能曲线、阴极氧气质量分数分布和水质量分数分布。结果表明:扩散层孔隙率对燃料电池性能具有较大影响,随着扩散层孔隙率从0.2增大到0.8,PEMFC的电流密度逐渐增加,最大可达847 mA/cm~2;相对于单直通道,增加孔隙率比添加楔形肋片更利于提升电池性能;在孔隙率为0.6和0.8时,氧气更易扩散到反应区,排水效果更好。     

PEMFC-TTEG混合系统的特性研究

采用遗传算法构建一个与实验数据匹配的质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,提出一个利用PEMFC余热驱动双级半导体热电发电机(TTEG)的混合系统。推导出PEMFC电流密度与TTEG的无量纲电流密度之间的关系,确定混合系统中TTEG运行的工作电流区间。考虑混合系统中多种电化学损失和热损失,得出混合系统功率与效率的表达式,研究电池工作温度,热电元件的优值系数、导热率以及热电元件数目对混合系统性能的影响。     

钙离子对质子交换膜燃料电池性能衰减机理研究

采用试验方法,通过向质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极(阳极和阴极)注入2种浓度(200和500 mg/L)的Ca~(2+)溶液,研究Ca~(2+)对PEMFC电化学性能的影响;通过扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对经Ca~(2+)污染20 h后的电池性能的衰减机理进行研究。实验结果表明,经200和500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,电池的电化学性能衰减明显,随着Ca~(2+)浓度的增加,电池电化学性能衰减程度增大;SEM和EDS实验结果表明,经500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,阴、阳两极的气体扩散层分别与阴、阳两极的催化层剥离,在质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层均发现Ca元素,在质子交换膜上Ca元素含量高于其他部件上;EPMA实验结果表明,Ca~(2+)污染PEMFC阳极后,Ca元素主要存在于质子交换膜上;研究结果表明,PEMFC电化学性能衰减的机理主要是由于Ca~(2+)与质子交换膜中的质子发生离子交换反应并取代质子交换膜中的磺酸根基团上的质子形成新的磺酸盐结构所致。     

温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

以Nafion质子交换膜燃料电池(PEMFC)为对象，通过测量电池的电流—电压、电流—功率和电压—时间曲线，研究了温度、压力和湿度等条件对电池性能的影响，同时也考察了电池的能量转换效率及短期运行时的稳定性，得出了电池较佳的工作条件。实验和计算结果表明：在反应温度为72℃、H2和02压力分别为0．2MPa、进气湿度饱和时，电池最大输出功率可达0．7W．cm^-2；在0．3W.cm^-2～0．7W．cm^-2范围内电池能量转换效率为62％—34％；在大电流密度下电池仍能稳定工作。     

非对称气体扩散电极对空冷自增湿质子交换膜燃料电池性能的影响

通过对阴极和阳极气体扩散电极(GDE)采用不同厚度的碳纸、不同PEFE载量等方法研究了非对称气体扩散电极对空冷自增湿燃料电池性能的影响。通过实验得出:增大阳极扩散层厚度、减小阴极扩散层厚度均能提高电池性能,而且通过提高阳极疏水性,降低阴极疏水性,能够保证促进阳极保水和阴极排水,提高电池性能。得到的阳极PTFE含量60%,阴极PTFE含量20%的非对称型GDE组装的电池性能比PTFE含量40%的对称疏水GDE制备的PEMFC性能高5%,比商业的SIGRACET~(?)高9.16%。电池在50℃自增湿条件下工作的最大功率达到643.2mW·cm~(-2)。     

燃料电池运行控制参数影响规律仿真分析

基于Simulink平台,利用Thermolib工具包搭建Ballard公司的Mark V PEMFC分析模型,模型包括质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电堆模块、阴极供气系统模块、阳极供氢系统模块、冷却循环系统模块及控制系统模块等部分,通过试验数据对模型进行验证。利用搭建的模型研究电堆运行控制参数,如电堆温度、膜湿度、进气压力及压差等对PEMFC输出电压及功率的影响。研究结果揭示各运行控制参数对PEMFC电堆性能的影响,对PEMFC控制策略的开发有一定的指导意义。     

基于递归模糊神经网络的PEMFC温度控制研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作温度对其发电性能和电池寿命具有重要影响,但由于PEMFC的非线性和时变特性,传统的控制策略较难获得很好的温度控制性能,以此推荐使用一种具有模糊推理、在线学习和动态映射能力的递归模糊神经网络控制器(RFNNC),将PEMFC工作温度有效控制在允许范围内.基于能量守恒定律建立PEM-FC的动态热模型,采用误差反传技术对该控制器参数进行自适应调整.仿真实验显示,RFNNC仅需35 s达到稳态,波动较小,比较RFNNC与PI控制和模糊控制的控制结果表明,推荐使用的RFNNC具有较好的温度跟踪性能.     

质子交换膜燃料电池过氧比鲁棒跟踪控制及仿真研究

针对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)运行时,负载电流突变而导致的"氧饥饿"现象,建立电池空气供应系统的动态模型,设计能够调节电池过氧比鲁棒跟踪控制器;利用MATLAB/Simulink仿真研究4种运行工况下控制器性能.结果表明:该控制器能够精确跟踪...