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。     

燃料电池发动机水热管理系统设计研究

介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理与特点,分析了保持燃料电池内部水平衡和热平衡的必要性,根据东风电动汽车有限公司25kW燃料电池发动机的设计参数,计算出空气和氢气的加湿量及电堆的散热量,设计出了一套有效的燃料电池发动机水热管理系统方案。     

液冷型燃料电池热管理子系统建模与控制研究

温度是影响燃料电池系统性能的关键因素之一,利用热管理子系统实现良好的温度控制是提高燃料电池性能及寿命的重要手段。针对液冷型燃料电池热管理子系统,在分析其结构及工作原理的基础上,利用机理及经验公式建立完整的热管理系统模型,并利用该模型分析燃料电池的温度特性,仿真结果表明合适的温度能够有效提高系统性能。制定相应的控制策略实时调节冷却系统进而实现电堆温度控制,采用流量跟随的方法削弱了控制变量间的耦合作用,仿真结果表明该控制策略能够实现电堆温度的有效控制,在负载连续变化的情况下将出口温度及温差稳定在理想范围内。     

8kW常温常压空冷PEM燃料电池堆设计

详细介绍了8 kW应急电源用常温常压空冷PEM燃料电池堆从技术要求到实验测试的整个设计过程,包括极板设计、电堆装配、电堆伏安特性测试、电堆单片电压测试以及电堆稳定性测试。实验测试充分证明了电堆设计的合理性、可行性、有效性。     

车用燃料电池氢气循环系统引射特性研究

燃料电池电动汽车是新能源汽车的重要发展方向,燃料电池作为整车的核心能量单元,其工作性能直接影响车辆经济性、动力性及可靠性。氢气循环系统中,引射器是燃料电池的重要功能元件,文中首先基于索科洛夫设计法对引射器进行结构设计与建模,然后开展了引射流体的流场分析,最后基于分析结果探究了引射性能的关键影响因素。结果表明,在不同压力工况下,引射系数与工作流体入口直径呈抛物线趋势,引射系数与引射流体入口直径正相关,引射系数随混合流体出口直径的增加呈现先增后减的趋势。基于上述影响规律对引射系数进行优化,可使引射器回氢性能提高13.55%,改善了燃料电池的氢气利用率,进一步完善了引射器结构优化与引射特性研究。     

燃料电池热管理系统的动态仿真及控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温启动阶段的电堆升温较慢,性能低效,且冷却液流量与散热空气流量的控制有耦合作用。针对常温启动升温较慢的问题,合理设计热管理系统,提高输出性能;针对冷却液流量与散热空气流量控制存在耦合关系,提出冷却液流量跟随热量控制,线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略,实现水泵流量和散热空气流量控制的解耦。仿真结果表明,联合控制策略能够在100 s内将电堆温度从常温升到80℃,且冷却液出入堆温差稳定在5℃;面对输入扰动时,电堆温度的超调量仅为0.5%,且在50 s内电堆温度再次稳定在80℃,超调量仅为比例-积分-微分控制器(PID)的8.82%,响应速度提升50 s。该控制策略能较好地控制电堆温度及冷却液出入堆温差。     

相变材料辅助的燃料电池客车冷启动特性研究

随着燃料电池在客车上的应用不断深入,其低温环境下冷启动问题逐渐凸显。为了提高燃料电池客车的启动速度,使电池更快地工作在合理的温度范围内同时降低冷启动过程的能耗,将相变材料（PCM）引入电堆冷启动系统,利用PCM可吸收电堆工作废热的特性,在冷启动时将废热放出加热电堆。基于仿真平台搭建电堆冷启动系统模型,对比分析了正温度系数热敏电阻（PTC）独立加热、PCM独立加热和PCM-PTC联合加热的温升变化和能耗特性。3种加热方式均使80 kW电堆从–20 ℃升高到10 ℃,PTC的功率为12 kW,PCM采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料（CPCM）。在联合加热方式下,分析了PCM质量对冷启动时间、节能率和潜热利用率的影响。结果表明:PCM-PTC联合加热方式较PTC独立加热节省约33.46%能耗,启动时间缩短了37.40%,较PCM独立加热启动时间缩短了61.00%;随着PCM质量的增加,冷启动时间缩短,系统节能率增加,但是PCM的潜热利用率却在下降。PCM辅助的冷启动系统为燃料电池发动机在低温环境下快速启动和节能提供了思路。     

车用质子交换膜燃料电池系统关机策略优化

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）的关机过程是影响其寿命和耐久性的关键因素,尤其对于车载燃料电池系统,关机后的放电和吹扫过程对其寿命的提高尤为重要。本文提出了两种不同的燃料电池系统关机策略,并对关机过程中的放电和吹扫条件参数进行优化,其目的是（1）缩短关机放电和吹扫时长;（2）减少开路电压（OCV）对电池性能的影响;（3）避免关机过程中氢气／氧气界面的形成对电池性能的影响。本文的研究结果确定了环境温度为360C时燃料电池系统关机程序结束的判据,并且通过对空压机、节气门和水泵转速的优化,能够将关机时长减少。另外,本文比较了两种不同关机策略的优劣,为制定车载燃料电池系统的关机策略提供参考。     

车用PEM燃料电池堆绝缘电阻的实验研究

电动汽车应用的燃料电池发动机,一般具有100～600V的直流电源电压。应当对其绝缘性能进行相应的试验研究及在线监测,确保符合电动汽车(EV)的电气安全要求。我们利用绝缘电阻在线监视仪在线测量燃料电池发动机中质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆的绝缘电阻,研究各种条件下(如:燃料电池电流输出、操作温度等)燃料电池绝缘电阻的变化规律,为提高和改善电动汽车用燃料电池的绝缘性能提供参考。     

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。     

PEMFC热管理的研究进展

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热量平衡计算,就热量的传递、综合利用,燃料电池热电联供技术,进行了阐述.对PEMFC热管理的数值模拟进展进行了综述,指出热管理数值模拟正逐步向三维数值模拟方向发展;完备的数值模拟将为PEMFC的热管理奠定良好的理论基础.     

基于多物理场耦合模型的车用PEMFC仿真研究

运用COMSOL软件建立了基于多物理场耦合模型的燃料电池仿真模型。基于多物理场耦合模型分析了燃料电池内部的流场和压力分布情况。研究了阳极和阴极内反应气体的浓度变化情况。分析了膜电极(MEA)内电流分布与反应气体浓度的关系。研究了燃料电池内部温度场和热流的分布情况。通过仿真研究加深了对燃料电池各个物理过程的理解,为优化燃料电池设计提供了参考。     

PEMFC阴极面带增湿槽道的模拟分析

对阴极面为带增湿槽道流场的单电池使用FLUENT软件建立了一个完整的三维数学模型。通过耦合气体控制方程、电化学反应Butler-Volmer方程、膜中水传递方程和水的相变方程,以及分析膜的水含量、阴极催化层水浓度、氧气浓度和膜中电流密度分布;结果表明,最后得到增湿槽道在实现阴极增湿的同时损失了其对应的活性面积。     

10kW PEMFC动态系统建模与控制

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态系统为研究对象。首先将质子交换膜燃料电池划分为氢气动态模型、空气动态模型、电化学电压模型和温度动态模型四部分建模;其次根据系统运行要求设计控制策略:氧气化学计量比前馈控制,阴极和阳极压力差PID控制和温度滑模控制;最后应用所建立的模型和控制策略对10 kW质子交换膜燃料电池进行仿真运行分析,结果证明所设计的系统能模拟PEMFC动态系统运行。     

PEMFC发动机热管理与冷启动研究进展

综述近年来质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机的热管理和冷启动研究进展。包括空气冷却、相变冷却和液体冷却等3种冷却形式;比例-积分-微分控制(PID)和模糊控制等热管理策略;内部加热、外部加热和停机吹扫等3种冷启动措施。阐述各方法的工作机理并进行比较分析,展望热管理和冷启动的发展趋势。     

PEMFC用小型稳压变换器及其监控系统

设计了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用稳压变换器及其监控系统.采用Boost、Buck串联拓扑结构为稳压DC/DC 变换器的主电路,对其工作原理进行了分析.介绍了监控系统的监控对象及其参数设定,研制出了样机.试验结果表明,该样机各项技术指标均达到使用要求,工作稳定可靠.     

PEMFC燃料电池双机备份控制器设计与实现

燃料电池控制器(FCC)作为燃料电池系统组件,对于燃料电池系统稳定而安全的工作起着重要作用。如何保证燃料电池系统的强实时性、高可靠性和服务"不断流",一直是燃料电池控制器关键技术难点。针对PEMFC燃料电池,选用NXP公司32位ARM处理器作为控制器CPU,设计开发出一种主从机双机备份模式的燃料电池控制器,一旦主控制器发生诸如程序死机等故障,从控制器将迅速自动接管控制任务完成必要动作直至系统停机,确保系统的安全稳定运行。     

基于质子交换膜燃料电池的发电系统设计

常规的移动电源系统一般是采用铅酸电池或者锂离子电池作为蓄能电池,特别是基于铅酸电池的移动电源系统更是大量应用于各个领域。介绍了一种区别于常规电源的基于自呼吸型质子交换膜燃料电池的发电系统的原理、技术和系统设计,并详细描述了燃料电池的发电原理,燃料电池的水、热、气的综合管理技术和电源综合管理技术。     

PEM燃料电池的应用前景

概括了质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的优缺点以及目前国内外在备用电源、应急照明电源以及通讯指挥系统电源方面的应用研究状况;分析了PEMFC发电系统的组成和总体设计方案;探讨了PEMFC发电系统在军事方面的应用前景;认为质子交换膜燃料电池在军事应用中有很高的价值。