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。     

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。     

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。     

生物质焦油衍生氮掺杂多孔碳负载Co3O4纳米晶的制备及双功能氧反应催化

以生物质焦油活化多级孔碳为骨架,通过一步水热合成同时实现氮掺杂和Co₃O₄纳米粒子负载,获得Co₃O₄@N/C复合催化剂。对比研究结果表明,凭借复合材料中活性Co₃O₄和N掺杂结构之间的协同效应,Co₃O₄@N/C复合催化剂对氧还原（ORR）和析氧反应（OER）均表现出较高的催化活性,ORR和OER启动电位电势差ΔE为0.99V;其中,ORR极限扩散电流密度为-5.10mA/cm²,与贵金属Pt/C相当。此外,Co₃O₄@N/C具有优异的氧还原稳定性,在经3000次循环伏安法扫描后,Co₃O₄@N/C的极限扩散电流密度仍能保持89.9%。这一生物质焦油衍生碳所构筑的N掺杂多孔碳负载Co₃O₄纳米晶复合材料在燃料电池和金属空气电池等领域具有巨大的应用潜力。     

负载动态变化时直接甲醇燃料电池的响应特性

直接甲醇燃料电池动态特性的研究对于实际应用来说非常重要.实验研究了直接甲醇单体燃料电池电流动态变化时电压的响应. 基于计算机控制的负载变化,得到了各种电流变化波形及不同的加载电流、放电/开路时间、加载斜率下的电池电压动态响应.结果表明电池电压对电流动态变换变化时的响应很迅速,动态运行时电池的开路电压要比稳态时的高,加载斜率对电池动态响应特性有重要影响. 电池内部电化学反应和传热传质瞬态变化的相互作用是电池动态响应的关键.     

The effect of gas diffusion layer compression on gas bypass and water slug motion in parallel gas flow channels

Water slugs form in the gas flow channels of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) which hinder reactant transport to the catalyst layer. We report a study correlating video images of slug formation and motion with pressure/flow measurements in parallel gas flow channels. Slugs move when the differential gas pressure exceeds the force to advance the contact lines of the slug with the channel walls. Water slugs can divert the gas flow through the gas diffusion layer (GDL) beneath the ribs to adjacent channels. The flow diversion can cause slugs to stop moving. Slug size and motion has been correlated with in situ GDL permeabilities as functions of GDL compression. Compression reduces the GDL permeability under the ribs much more than the GDL permeability under the channel. A model is presented to describe the spatio‐temporal location of slugs in a PEMFC flow field. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 355–367, 2015     

考虑多物理场耦合特性的固体氧化物燃料电池瞬态特性研究

为了解决化石能源枯竭和环境污染的问题;固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell;SOFC）作为能量高效转换设备得到了快速发展。采用COMSOL软件建立平板式SOFC多物理场耦合模型;综合考虑电、热、流动和传质多物理场的相互作用;研究SOFC在输出电压、空气流速和燃料流速变化条件下的局部瞬态响应特性。结果表明;在输出电压为0.5、0.6和0.8 V时;燃料流速突降为0;功率密度变化幅度分别为-67%、-60%和-56%;电池功能层平均温度变化幅度和趋势呈现显著差异;燃料流速对于电池性能的影响明显大于空气流速变化;由于电池中电化学反应的直接参与和电极表面的快速反应;导致输出电压变化时;功率密度的响应速度最快。本研究为SOFC的优化设计提供了重要的理论依据和技术支撑。     

An investigation of scale-up on the response of the direct methanol fuel cell under variable load conditions

The electrical response of the direct methanol fuel cell, based on solid polymer electrolyte, to variable load is reported. The dynamic power response of the direct methanol fuel cell is of importance particularly when the cell is used for transportation applications. The study reports the dynamic characteristics of a small-scale cell (active area 9 cm²), a large-scale cell (active area 272 cm²), and a three-cell stack. The effect of operating conditions (i.e., flow rate, cathode pressure and solution concentration) on the voltage response is described and the effect of a change of scale is discussed.     

变负载工况下微生物燃料电池响应特性

变工况运行时微生物燃料电池(MFC)的响应特性是揭示其运行规律的重要因素之一,对于指导MFC的实际应用有重要意义。分别针对以50、100、400和1000Ω启动的双室型MFC,以电池的电压响应和性能参数为评价指标,研究了MFC的启动特性和启动完成后MFC对负载变化的响应特性。结果表明,启动电阻越小电池启动越慢,但其最大功率密度越大。与MFC-50和MFC-100相比,MFC-1000和MFC-400对50Ω负载响应的时间较长,且其负载电压均表现出先急剧下降后缓慢上升的特征。经过较长时间的适应期后,所有电池的最大功率密度均可达到2000 mW·m-2以上。此后,当上述MFC的负载切换为原培养电阻时,其响应时间明显缩短且电池最高功率密度不再发生变化。