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。     

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。     

空气不增湿条件下的PEMFC性能特性

为了考察质子交换膜燃料电池(PEMFC)在空气不增湿(20%相对湿度)条件下的性能特征.文章通过极化曲线的测试,考察了工作温度、空气过量系数、氢气过量系数以及氢气相对湿度对300W PEMFC电堆性能的影响.结果表明:在空气增湿不够的条件下,电堆温度过高将使电堆性能下降;空气过量系数越大,电堆欧姆极化越严重;氢气过量系数对电堆性能影响不大;随着氢气相对湿度的增大,电堆性能得到改善,输出功率得到提高.     

质子交换膜燃料电池的稳态分析

通过建立质子交换膜燃料电池稳态模型,考察了电堆温度和反应压力对电堆性能的影响。仿真结果表明,升高电堆温度使得氢气分压和氧气分压下降,但氢气分压下降的更快;在电堆工作温度范围内,电堆温度升高,热动力电势、欧姆极化电势和活化极化电势均下降,但电堆总输出电压上升;提高阴极侧压力有利于提高热动力电势,同时使得活化极化电势降低,有利于电堆整体性能的改善;提高阳极侧压力对电堆性能改善影响不大。     

基于最小二乘法的PEMFC电堆模型参数辨识

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的优化控制需要精确的电堆模型和参数。该文基于半经验机理模型,根据PEMFC电堆输出特性经验公式以及电化学、热力学原理建立电堆输出电压的机理模型,采用线性回归最小二乘法进行模型参数辨识。仿真实验辨识结果的误差分析表明,其电堆模型参数辨识精度满足控制要求,验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于仿射热模型的质子交换膜燃料电池电堆的热管理控制

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆工作温度对电堆的性能和运行寿命有很大影响.为了实现质子交换膜燃料电池电堆温度的有效控制,根据电堆能量守恒原理建立了电堆动态热管理模型.由于该模型是具有参数不确定和易受外界干扰的非线性模型,为此,采用了线性二次型优化控制和李亚普诺夫函数的递推设计方法设计了具有强鲁棒性的自适应控制器两种控制算法对电堆温度进行控制,数字测试验证了该算法的有效性.图1参11     

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。     

二次吹扫条件下PEMFC电堆冷启动特性实验研究

为探究燃料电池低温启动性能,利用自搭建的实验平台,对稳态运行后的PEMFC电堆进行二次吹扫实验,考察吹扫气体温度、流量对吹扫实验中电堆内阻的影响,对经过二次吹扫后的电堆进行多次启动试验,研究进气温度对电堆冷启动性能的影响.实验结果表明:增大吹扫气体温度和流量都可降低电堆内阻,但进气温度影响较小;从启动时间上来看,二次吹...     

质子交换膜燃料电池发电系统控制策略研究

质子交换膜燃料电池堆(PEMFC)的操作温度和压力对发电系统的输出性能有着显著的影响,因此针对电堆温度和压力控制的研究也就成为一项重要的课题.介绍了PEMFC的工作原理和系统结构,分析了电堆温度与压力的变化特性和控制策略,提出了多种控制方案,并进行优缺点比较.     

空气流向对空冷PEMFC影响的实验及仿真研究

针对不同空气流向对电堆性能的影响进行ANSYS/Fluent仿真分析,开展实验研究,在环境温度、风扇转速等外界条件不变的情况下,测量两种不同工作温度下外部风扇"吸风"与"吹风"两种空气流动方式对电堆总输出和各单电池输出特性的影响。结果表明:采用"吸风"方式供应空气(即正向流动)时,电堆的均匀性和稳定性等性能明显较好。考虑到电堆使用寿命,空冷质子交换膜电堆采用空气正向流动方式更为有利。     

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。     

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。     

空冷型PEMFC电堆阳极流道水累积效应研究

实验研究水平衡对空冷型质子交换膜电池(PEMFC)电堆单电池电压均匀性的影响,并提出阳极流道液态水累积概念。基于对单个排气周期的分析,建立累积水量模型。针对不同负载和排气周期对自制的空冷型PEMFC开展了实验。研究结果表明:在低负载下,调整排气周期对单电池性能影响不大,随着负载的增加,单电池性能对尾气排放周期更加敏感,各单电池电压差异扩大,甚至部分单电池电压大幅降低。该研究提出一种基于单电池电压巡检系统的水淹故障诊断方法,为燃料电池的进一步优化控制奠定基础。     

基于车载燃料电池过氧比的空气流量控制

车载燃料电池阴极空气流量控制是保证系统高效工作的重要条件之一,过氧比参数用于衡量空气流量的供给状况,文章分析了在不同电堆电流下系统的过氧比特性,研究了电堆工作温度以及膜含水量对最佳过氧比的影响,研究结果表明,最佳过氧比不受膜含水量的影响,而电堆工作温度对最佳过氧比有微弱的影响。为保证系统工作在最佳过氧比,采用最优过氧比调节器+模糊控制的策略,根据电堆电流及相应的最佳过氧比,利用前馈控制得到压缩机空气流量参考值,然后利用模糊控制器改变电动机电压控制压缩机空气流量。仿真结果表明,该控制方法具有良好的动、静特性。     

基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷却系统模型精度且能够方便有效地对其实现控制,提出基于Simulink/Simscape构建膨胀水箱、冷却液循环泵、散热器等关键冷却系统模块,对燃料电池冷却系统进行物理建模仿真;水冷型燃料电池电堆的温度与冷却液出入堆温差主要受散热器的空气流量与循环水的流量影响,针对空气流量与循环水流量存在强耦合关系,提出了冷却液流量跟随电流控制,线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略,实现了散热风扇和循环水泵控制的解耦;为保证控制策略的有效性,减少整定参数的工作量,提出了精英遗传算法优化ADRC(自抗扰控制)参数的方法,优化后的控制策略应对输入有扰动时,系统的最大超调量仅有1.23%且能在30 s内再次达到稳定,因此能够对燃料电池电堆温度实现有效控制。仿真结果表明通过优化后的控制策略在无干扰或有白噪声干扰的阶跃负载电流影响下,都能够对电堆温度与冷却液温差实现有效控制,具有很强的鲁棒性与抗干扰能力。     

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。     

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)。     

应用模糊辨识方法对DMFC电堆的温度特性建模

从甲醇燃料电池（DMFC）电堆实际应用的角度出发,利用模糊技术对DMFC电堆非线性系统进行模型辨识和预测。以阴阳极燃料的流速为的输入量,电堆的工作温度为输出量,利用1000组实验数据作为样本,建立了不同燃料流速下电堆工作温度的动态响应模型。仿真结果证明采用模糊辨识建模的方法是有效的,建立的模型精度较高,从而为设计DMFC电堆实时控制系统奠定了基础。     

PEMFC电堆建模及特殊工况下的动态分析

以包括冷却液通道、阴/阳极气体通道、MEA等4个控制体的PEMFC单池模型为基础,引入了与单池位置相关的反应气压力、水含量和温度的数学描述方法,建立了一种可以体现单池性能差异性的半机理半经验电堆动态模型.在此模型基础上,详细分析了电堆内重要物理量(温度、水含量和输出电压等)在特殊运行工况下(如启动、制动和怠速等)的动态特性.     

空气抽吸式甲醇燃料电池传热与传质特性

空气抽吸式直接甲醇燃料电池不仅具有被动式燃料电池的优点,同时又便于将其串联成电堆提高输出电压。建立以阴极为管道抽吸式结构的直接甲醇燃料电池的三维、两相、非等温稳态数值模型,研究了质子交换膜性能、供给甲醇浓度以及电堆规模对电池性能及燃料利用率的影响。对于保温较好的大电堆,采用低甲醇穿透的改性质子交换膜能同时提升燃料利用率和比功率;此类电堆若采用穿透率低的改性膜,则2 mol/L的甲醇浓度就能保证电池在较大的电流密度区间内维持较高的功率与效率。作为影响电池运行温度的重要因素,电堆规模的大小将直接影响质子交换膜种类与甲醇浓度等关键参数的设计与选择。