PEM燃料电池动态特征的仿真分析

运用Fluent的PEM模块对质子交换膜燃料电池在改变气体湿度、流量以及电池负载条件下,电池的动态特性进行仿真分析.结果表明,燃料电池具有快速的动态响应能力,改变供给气体湿度的情况下,1 s内达到几乎稳定状态,在3 min内达到新的稳定状态.而且,膜的湿度对电池的动态性能影响很大.适当提高空气流速,可以有效地提高排水能力,提高电池的性能.中、低电流密度下,空气流速对电池的动态性能和动态响应能力影响不大;高电流密度下,空气流速对电池动态性能和响应能力有显著影响.     

燃料电池建模与仿真

随着燃料电池的不断发展,燃料电池的运行性能要求越来越高,燃料电池可靠运行的决定因素除燃料电池本体的制造工艺以外,控制系统是最重要的因素。控制系统将根据负载对功率的要求,随时调节反应气体的温度,流量和压力等参数使之达到最适当的数值,以保证电化学反应有效地进行。然而燃料电池内部以及电池组与系统之间复杂的相互作用,再加上产品上市时间方面的压力和相关的技术风险,使建模成为一个必不可少的工具。燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论[1]。     

5kW质子交换膜燃料电池的建模与仿真

研究了5 kW质子交换膜燃料电池（PEMFC）的数学模型,给出的模型简单有效,物理意义明确。在此基础上,根据电池参数,利用MATLAB/SIMULINK建立电池的仿真模型,并对其动静态特性进行研究。仿真结果与实际系统相符,说明所建立的模型正确有效,可以用于燃料电池及其控制系统的研究。     

氢-空气质子交换膜燃料电池系统建模与分析

根据氢-空气燃料电池系统组成,建立了燃料电池系统数学模型。通过模型计算得出环境条件、电堆温度、空气流量参数对系统效率的影响关系。计算结果表明,除了在高温或高湿条件下,环境条件的改变对系统效率的影响较小;高温或高湿条件有降低系统效率的趋势。电堆温度对燃料电池系统的效率有显著影响。温度从30℃升高到80℃时,系统效率逐渐增加。低负载时,空气流量对系统效率的影响比较显著。流量增大时,系统效率下降,流量超过30SLPS时,效率下降接近于零。     

流道截面形状对PEM燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池内电化学反应生成的水和热量会对电池性能产生较大影响,而流道截面形状是影响电化学反应的因素之一.利用FLUENT软件计算了采用不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池,获得电池电压-电流(U-(I))曲线,并分析中电流密度下不同流道电池内温度场的分布,研究了在中、高电流密度下梯形流道和圆形流道对电池内水含量分布的影响.结果表明,流道形状对电池性能影响一方面体现在流道与扩散层接触面积越大则电流密度越大,另一方面底部为弧形和侧壁倾斜的梯形流道可在一定程度上降低膜内中心部位水含量.     

模拟电路的键合图模型仿真研究

研究利用键合图模型在Matlab Simulink环境下进行模拟电路仿真,将模拟电路的键合图模型转化为Matlab Simulink中的功能模块后进行仿真,针对仿真过程中由于开关状态切换或电路短路、断路故障造成的键合图能量路径改变的问题,使用键合图因果关系重分配算法在线改变模块内部因果关系,实现模拟电路的实时仿真.     

PEM燃料电池流量及功率系统的建模

数学模型是理解和分析燃料电池性能的有效工具,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的建模是该技术发展和研究中的一个极为重要的问题。将结合已有的PEMFC建模方面的成果和本实验室PEMFC实验台的实验数据给出一种质子交换膜燃料电池系统的动态模型。该模型能够描述电堆电压、反应物流量以及反应物空间压力的瞬态响应过程。我们利用Matlab的SIMULINK对模型进行仿真,给出了负载电流以及反应物流量控制器给定电压阶跃变化时系统的瞬态响应,并对仿真结果和实验台实际运行数据进行了分析和比较。结果显示具有较好的一致性,证明此模型是PEMFC的实时控制系统以及最优化设计的一个有力工具。     

60 kW燃料电池发动机集成及20次工况循环实验

介绍了大连化物所研制的一台用于城市客车的60kW燃料电池发动机。该发动机采用变压操作、功率自适应控制模式;具有较高的过载能力,最大输出功率为80kW。为了考察发动机的稳定性,根据燃料电池发动机测试规范进行了20次工况循环台架试验。通过在给定几个输出功率下的电压值比较可见,该发动机性能输出稳定,在额定输出功率下,电压标准偏差为2.17V。     

熔融碳酸盐燃料电池系统建模与控制

熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)是目前商业化前景最好的燃料电池 ,特别适合大容量中心电站和联合循环发电。MCFC系统工作在高温、封闭、复杂的环境下 ,内部状态测量极为困难 ,试验分析代价很高 ,有时几乎是不可能的。为提高MCFC性能并确保其安全、长寿命运行 ,需要采用数值分析的方法 ,建立完善的MCFC数学模型 ,借助模型来进行性能仿真分析和动态控制设计。首先详细介绍了MCFC的电极、单电池、电堆、系统四个层次的建模以及MCFC控制的研究现状 ,并指出了现有模型的不足 ;然后讨论了电堆和系统两级建模的发展方向 ;最后 ,分析了MCFC系统的非线性、大时滞、分布参数、多输入多输出、有约束和随机干扰等特征 ,并根据这些特征 ,提出了两种适宜的控制方法     

5kW氢空PEMFC的性能

构建了5kW氢空质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统,电堆工作温度范围为室温到80℃,工作压力为200kPa;研究了5 kW PEMFC的性能特点.结果表明:PEMFC性能随着气体压力和电堆温度的升高而提高.当氢气流量为46 L/min、空气流量为120 L/min时,电池性能最好.     

10 kW 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。     

质子交换膜燃料电池的热模拟

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热问题模拟现状,根据研究问题的需要,对模拟相关的模型进行了描述,并应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟。从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论,得出了结论:热源、温度在质子交换膜电池内部分布的不均匀性和不同电流密度情况下膜电极组件的温差。电池性能曲线与试验结果进行了比较,模拟与试验结果基本吻合。     

PEM燃料电池阴极三维数学模型

通过耦合求解质量守恒方程、动量守恒方程和组份守恒方程,计算出点状、多蛇形和单蛇形三种不同流场阴极O2和H2O浓度的分布以及气体速度分布。电流密度为600mA／cm^2时,催化层与扩散层交界面处点状、多蛇形和单蛇形流场中的最小O2浓度是逐步增加,约为1．5％;最大H2O浓度依次减小,大约1．5％;扩散层中间处气体速度依次增加。最后通过单电池实验得到三种流场的电池性能和模型中气体分布情况一致。     

Modeling and analysis of the NEDO 500‐kW wind generator

The 500‐kW wind generator was developed as one of NEDO's projects, and it has been operated at TAPPI wind park since October 1996. Since then, several tests on its performance have been made. One of the most important characteristics concerns the dynamic behavior under fluctuating wind conditions. For this purpose, we performed the modeling of the NEDO 500‐kW wind generator by a system identification technique using the measured data. Next, we clarified the basic characteristics such as transient response and frequency response of the generator based on the model. We confirmed that the simulated results of dynamic behavior almost agree with the measured results. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 135(3): 37–47, 2001     

电动汽车蓄电池的键合图法建模与仿真

按照键合图的规则,分别建立了蓄电池等效电路的键合图模型和冷却系统的键合图模型,然后将电系统和热系统耦合在一起,实现了蓄电池系统的键合图模型。最后建立了蓄电池的数学模型和仿真模型,并实现了动态仿真。     

质子交换膜燃料电池的水热管理

对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论述了各种加湿方法的原理,并对其优缺点加以评述;介绍了质子交换膜燃料电池冷却系统的一般结构和原理。     

Improvement of anode oxidation reaction of a fuel cell using ammonium formate with Pt‐Ir catalysis

We have attempted to develop high‐performance and safe fuel cells by using ammonium formate as a solid (powder) fuel. This solid fuel has the potential of safer transportability than liquid fuels such as methanol from the viewpoint of toxicity and flammability. In order to make use of some of the advantages of ammonium formate, we investigated the oxidation characteristics of ammonium formate with respect to a Pt electrode. Cyclic voltammograms indicate that ammonium formate has high oxidation activity with respect to a Pt electrode. We have also found that the oxidation of ammonium formate can be improved by the addition of Ir to Pt catalysts. It is highly likely that ammonium formate will be useful as a solid (powder) fuel for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. This new fuel will promote the development of safe fuel cells for PEM. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 174(4): 45–50, 2011; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21043     

Fuzzy PID control of a stand-alone system based on PEM fuel cell

Fuel cell (FC) systems are appropriate candidates as alternative energy sources for use in stand-alone applications. However, the FC generates an unregulated voltage, which is not suitable in stand-alone application usage solely. This paper presents the control of stand-alone application based on fuzzy PID (FPID) controller. The aim of this paper is designing and controlling a suitable power conditioning unit (PCU) that consists of two DC/DC converter stages and DC/AC inverter. In addition, an analysis of cascade structure based on fuzzy PID controller for a single phase inverter is done and also two feedback control loops are comprised. Inductor current and capacitor voltage are measured and sent through feedback to the inner loop and the outer loop, respectively. Besides, to evaluate the proposed controller robustness, the PCU is considered under step loads as disturbance. Finally, it is shown that the proposed controller has a robust behavior and good transient response.     

质子交换膜燃料电池建模及其PID控制

针对目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型难以适用于控制系统的设计,提出利用Matlab-Simulink仿真工具对PEMFC进行系统动态模型建立,并在此基础上采用比例积分微分(PID)算法控制其输出电压.仿真结果表明该模型较好地反映出PEMFC系统的动态特性,有助于改善PEMFC的设计,提高其性能,而且PID算法能够较好地实现对PEMFC系统的控制,可适用于控制系统的设计.     

Impact of recovered thermal energy management on the economics of operation of a grid-parallel PEM fuel cell power plant

Management of recovered thermal energy with the object of achieving optimal cost of operation of a grid-parallel PEM fuel cell power plant (FCPP) is the focus of this paper. An economic model is presented which includes the operational cost, thermal recovery, power trade with the local grid, and selling of surplus thermal energy. Multiple operational strategies are developed using this model. The strategies are then investigated by estimating the quarter-hourly generated power, and the amount of recovered thermal power while satisfying the thermal and electrical load requirements. An evolutionary programming-based technique is used to solve for the optimal operational strategy. The model is tested using different seasonal load conditions. Results are encouraging and indicate viability of the proposed model.