水冷PEMFC热管理系统流量跟随控制策略

针对传统温度控制策略在水冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)工作中水泵和散热器风扇存在的强耦合性,并为了提高电堆的工作性能和寿命,提出一种流量跟随电流的温度控制策略,根据电堆电流变化调节冷却水流量来控制电堆冷却水进出口温差,通过PID控制器调节散热风扇控制电堆入口温度。在水冷PEMFC热管理平台上对传统控制策略、流量跟随控制策略做了实验对比。结果表明,流量跟随电流控制策略使冷却水出口温度最大超调量减少64.3%,冷却水出入口温差最大偏差减少46.7%,调整时间平均缩短73 s,达到了较高的控制精度和响应速度,削弱了水泵和散热风扇的强耦合作用,流量跟随电流控制策略能够满足PEMFC系统对温度控制的要求。     

水冷PEMFC热管理系统控制策略及仿真研究

针对目前燃料电池热管理系统在变载时存在温度波动较大、调节时间较长和响应速度较慢等问题,本文提出了流量同时跟随电流及功率方式和神经网络自抗扰方法两种热管理控制策略。结果表明:流量同时跟随电流及功率控制策略能够有效地削弱水泵和散热器风扇的耦合作用,明显减少电堆进出口冷却水温度及其温差的超调量和调节时间。此外,虽然神经网络自抗扰控制策略在最大功率工况下的控制效果较差,但总体控制效果比流量跟随电流控制策略好。     

PEMFC电堆动态工况响应性能试验

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆动态响应特性对PEMFC电堆的耐久性和可靠性具有很大影响。本文试验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。结果表明,在整个动态运行工况下,电堆运行良好,进出口冷却液温差小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化,同时随着电流的增大,稳态时电堆均衡性变差。在超负荷（200A）运行工况下,电堆各单电池之间输出差异变大,均衡性持续变差,电堆中间和前端单电池电压明显降低。此外,在整个动态响应过程中电流阶跃上升时的电压最大下冲值比电流阶跃下降时的电压最大上调量大,但输出电压能在10s内达到相对稳定的状态（电压波动率＜0.02）。通过该研究,以期为实际车载电堆运行和控制优化提供参考。     

PEMFC热管理系统温度控制策略的仿真研究

质子交换膜燃料电池系统(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)在运行过程中水泵和散热器风扇存在耦合作用,并且当电堆负载发生变化时,其温度波动较大且响应速度慢。针对以上问题,文中采用自抗扰控制方法来控制电堆冷却水的流量,将耦合和负载突变作为扰动来处理,以便加快温度响应速度,提高温度控制精度;对控制对象和控制器进行了建模,并在Simulink中进行了仿真验证,仿真结果表明:采用自抗扰控制器可以降低水泵和散热器风扇的耦合作用,并将冷却水温差控制在10℃以内。同时,流量受电堆电流变化影响明显减小,当电堆电流发生突变时也能很快实现流量跟随,达到稳定状态。在最大电流工作状态下,冷却水温度也能控制在燃料电池要求的范围内。采用的自抗扰控制器,整体达到较好的控制效果,满足PEMFC系统对温度的控制效果。     

基于真空镀膜技术的薄膜热传感器实验

采用真空蒸发镀膜技术设计制作了以云母为基片的薄膜热传感器,传感器包括一个用于热流测量的热电堆和一个用于温度测量的热电偶。综合测试发现：云母基片薄膜热传感器性能良好。封装后,薄膜热电偶的静态标定拟合直线相关系数均可以达到0.999。薄膜热流计的静态标定拟合直线的相关系数为0.99439,测头系数为8.78886 W/(m²?μV),灵敏度为0.11378 μV/(W/m²)。薄膜热电偶的动态响应时间是0.446 s且具有良好的复现性。随着加载热流的增大,薄膜热流计的动态响应时间变大,阶跃热流值为600 W/m²时响应时间为0.483 s。     

质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)的控制策略综述

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统进行了简单的介绍和控制特点分析,并对其控制策略进行了综述,分析和比较了包括常规PID控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制以及在此基础上的多种复合控制策略,最后结合国内外至今的相关研究成果,展望了质子交换膜燃料电池系统控制策略的研究方向和发展前景。     

基于广义预测控制策略的微生物燃料电池控制

针对MFC系统启动阶段输出响应不稳定以及调节时间较长的问题,结合微生物燃料电池自身特性,提出了基于广义预测控制(generalized predictive control,GPC)的微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)控制策略。与加入PID控制方法对比得知,加入GPC的MFC系统输出能够避免响应出现大幅度的抖动,且响应速度快,动态调节鲁棒性好,保证了动态输出曲线快速准确地跟踪系统设定值。在给定外电阻为恒值和醋酸盐浓度随时间阶梯变化时,通过带遗忘因子的最小二乘法进行模型辨识,将所得线性模型作为预测模型,采用GPC算法进行控制。仿真表明,GPC能在控制响应速度方面取得好的控制效果以及系统调节过程中的鲁棒性也有了较大的改善。有效地实现了对微生物燃料电池系统的动态性能以及鲁棒性能的优化,验证了所提出的算法有效可行。     

速度跟随系统在输送装备中的研究应用

本文介绍了速度跟随系统在输送装备中的研究应用,希望未来通过对每个小环节实现精细化控制,从而促使整个生产流水线更加节能环保、智能化。     

工厂流量微机自动监测管理系统

利用微机对工厂多通道流量进行集中监测、自动计量管理,采用电动Ⅲ型一次检测仪表与微机计算技术相结合的方法,实现一台微机集中监测多通道流量,在线连续累计流量并定时打印累计流量,实现流量的自动集中监测及自动计量管理。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

A two-phase PEMFC model for process control purposes

A reduced nonlinear dynamic two-phase model of a polymer electrolyte membrane fuel cell is presented. The model is derived from a spatially distributed dynamic model and captures the detailed model's multiplicity behaviour. The reduced model is of considerably lower order than the detailed one and requires less computation time. The reduced and the detailed model are compared in steady-state and dynamic simulations. Good agreement is observed. The model can be used to investigate model-based control strategies for PEM fuel cells, especially under operating conditions close to flooding.     

质子交换膜燃料电池电源系统停机特性及控制策略

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电源系统在停机后,燃料电池开路高电压被认为是造成电池性能下降和寿命缩短的重要因素。这主要是因为PEMFC电源系统停机后,燃料电池处于开路状态,阳极侧残留的氢气和阴极侧的空气发生电化学反应,电池电压为开路高电压且维持在开路电压的时间比较长,这容易引起催化剂碳载体发生氧化,使分布在载体上的铂(Pt)颗粒脱落,造成燃料电池性能衰减以及寿命缩短。以最大程度缩短停机后开路高电压的时间和加快阳极侧残留氢气的消耗速度为目标,提出了一种PEMFC电源系统的停机策略,通过实验分别研究了直接停机和停机策略停机对PEMFC输出特性的影响。以该停机控制策略为基础,通过实验验证了该停机策略的有效性,为提出保护性的PEMFC电源系统停机控制策略提供了参考性指导。     

Performance enhancement of PEMFC through temperature control in catalyst layer fabrication

Pore size distribution and specific pore volume in the catalyst layer of polymer electrolyte membrane fuel cells were modified by controlling the temperature during the catalyst layer fabrication. Raising the temperature of the gas diffusion layer where the platinum catalyst is coated facilitated evaporation of the solvent in the catalyst ink and induced a large pore volume especially in the secondary pore. Fuel cell electrodes with large amounts of pores exhibit 30% improved single cell performance. The microstructure and electrochemical properties of electrodes were investigated by field emission scanning electron microscopy, mercury intrusion porosimetry, electrochemical impedance spectroscopy, and current-voltage polarization measurement. The results indicate that increased volume of the secondary pore reduces the mass transfer resistance and improves the performance.     

PEMFC用Pt纳米线阴极催化剂的制备及在电堆中的应用

采用无模板法制备了用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的碳载铂纳米线（Pt NWs/C）阴极催化剂,使用透射电镜（TEM）和X射线衍射图谱技术（XRD）对催化剂的微观结构和形貌进行了表征。研究结果表明,制备的铂催化剂具有纳米线的结构,平均截面直径为（4.0±0.2）nm,线长为15～25 nm。利用循环伏安（CV）法和线性伏安扫描法（LSV）表征催化剂的电化学活性和氧还原反应（ORR）特性,结果表明制备的Pt NWs/C催化剂电化学特性良好。利用Pt NWs/C和Pt/C作为阴极催化剂制备膜电极（MEA）,并进行测试,最大功率密度分别为705.6 mW·cm^-2和674.4 mW·cm^-2。然后以Pt NWs/C和Pt/C为阴极催化剂组装了18片和20片的电堆,并进行性能测试,电堆的最大功率密度分别为409.2 mW·cm^-2和702.7 mW·cm^-2,单电池电压差异系数（C_v）分别为16.1%和4.36%,这表明Pt NWs/C作为阴极催化剂在放大后的膜电极组件（MEA）里表现出较好的催化活性,但与商业催化剂相比其性能与均一性还有待提高。该研究可为Pt NWs/C催化剂放大制备提供依据,同时可为后续的基于Pt NWs/C的电堆的耐久性测试和车载应用奠定基础。     

空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制

空冷型质子交换膜燃料电池具有结构简单、自身能耗低等特点,在便携式电源研究领域有着良好的应用前景。本文通过实验研究环温和负载变化对电堆工作温度的影响关系,揭示温度和湿度特性对电堆输出性能的影响规律。通过建立基于遗传算法优化的温度特性模型,应用模糊-PID融合算法,设计电堆温度控制器,以及根据各电流输出段的湿度特性,采用不同方式控制尾气排放周期,最终保证电堆输出性能最优。     

制氢装置燃料用气流量/压力选择性-分程控制算法

燃料用气流量恒定是保证制氢转化炉燃烧控制稳定的重要条件。采取流量/压力选择性控制策略,在满足流量稳定的同时,又确保转化炉安全运行。为了避免生产负荷频繁升降可能带来的燃料用气流量的大幅波动,制氢装置采用CS3000系统实现滑动分程控制算法,达到了系统在不同生产负荷区域内能平稳运行的控制目标。