PEMFC的动态特性分析及其PID控制

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)控制系统的非线性、时滞性、复杂性等特点,利用Matlab/Simulink仿真软件建立PEMFC电堆工作仿真模型。在此基础上,采用比例积分微分(PID)算法控制器控制电堆的输出电流。讨论了当电堆输出电流出现阶跃变化时,电堆输出电压、输出功率以及电堆效率的动态响应,并对仿真结果进行了比较分析。仿真结果表明,该模型能够较好地反映PEMFC系统的动态性能,采用的算法具有较好的鲁棒性,有助于改善PEMFC控制系统的设计,提高其性能。     

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.     

基于LabVIEW的PEMFC特性研究

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)的氢气流量、氢气压力、环境温度等参数对电堆的发电性能影响较大。首先通过实验研究了电堆最佳工作温度的确定方法和输出电压特性,其次采用了一种广义多项式拟合方法获得了它们的描述公式,最后基于LabVIEW设计了电堆温度和输出电压的特性研究软件,软件仿真结果与实验数据拟合精度较高,为研究PEMFC系统提供了一种切实有效的方法。     

基于ADHDP的PEMFC温度控制

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)非线性控制系统为研究对象,采用执行依赖启发式动态规划(ADHDP)实现对PEMFC温度的控制。首先建立PEMFC的电堆温度动态模型;然后利用ADHDP算法设计PEMFC发电系统温度控制器;最后用Matlab/Simulink仿真平台对启发式动态规划(HDP)、比例积分微分(PID)和ADHDP设计的温度控制器进行对比。ADHDP控制器控制的电堆温度的超调量仅为0.59%,小于HDP的0.94%和PID的4.47%,该ADHDP控制器可提高PEMFC温度控制的稳定性,能更好地改善系统的动态性能,具有更好的温度控制效果。     

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。     

空冷型PEMFC电堆温度建模及改进GPC控制

为了使电池具有良好的输出性能,质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆温度必须控制在一个合适的范围内.提出了一个基于广义预测控制(GPC)的PEMFC温度预测控制方案.根据电池内部的能量守恒定律,建立了空冷型燃料电池电堆温度模型,基于此温度模型,采用GPC控制器建立了PEMFC温度控制系统,并提出一种改进的广义预测控制算法,减少了计算量和控制过程中的超调.设定温度为实验所获得的最佳工作温度.控制仿真结果表明,设计的PEMFC温度GPC控制系统有较高的控制精度与响应速度.     

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。     

质子交换膜燃料电池电堆操作条件的评估

描述质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的测试方法,用于评估电堆操作条件设定的合理性.测试方法包含活化、极化曲线测试、操作条件的敏感性测试(氢气/空气流量、氢气/空气相对湿度、电堆温度和反应气体压力等)和稳定性测试等.用该测试方法对一套30 kW大功率电堆进行有效性验证,得出电堆温度60℃、空气计量比2.5等参数是比较...     

基于改进遗传算法的PEMFC电堆稳态运行优化

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中,运行压力、反应气条件、质子膜含水状态、电堆温度、输出电流等因素,都会影响电堆功率输出,因此须确定电堆输出最大功率的最优运行状态。为确定最大输出功率,建立了一个PEM-FC电堆参数模型和优化目标,并提出一种实现此优化的改进遗传算法。使用1kW电堆的实验数据通过最小二乘法确定了模型参数,同时详细叙述了如何利用此遗传算法实现优化,对PEMFC电堆最优运行条件进行了分析。计算和分析结果表明此遗传算法能够有效确定最大输出功率和最优运行状态。     

氢空PEMFC发动机的几个须关注的问题

针对一个2.5kW氢空质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆,研究了不同负载下电堆侧面的温度分布、不同温度下电堆极化曲线、以及不同电流时单电池电压的变化。实验表明,PEMFC发动机设计中以下几个问题应该予以关注(1)电堆温度分布具有明显非均匀性,中心温度一般比边缘高,减小温度不均匀性对于充分发挥电堆性能具有重要意义;(2)低温下电堆性能比高温低很多,并且低温大电流时电堆难以稳定,这增加了发动机低温启动难度;(3)单电池一致性的提高,可以提高电堆性能,减小辅助系统功率和体积。     

PBI/H3PO4体系高温PEMFC的性能预测

使用实际测量的PBI/H3PO4体系高温PEMFC,在不同温度、压力、阴极气体和负载下的稳态电位响应数据(500组)与该体系对温度变化、压力变化的动态电位响应数据(500组)作为训练数据,建立了基于BP神经网络和Matlab/Simulink的高温PEMFC稳定性能和动态性能的预测系统。利用神经网络模型模拟电池的稳态电位输出和单变量(温度或压力)动态电位响应。仿真结果表明:该模型能准确地模拟电池的稳态和动态行为,为PBI/H3PO4体系高温PEMFC的性能预测和控制提供了一条可行的途径。     

基于灰色系统的质子交换膜燃料电池温度控制

质子交换膜燃料电池组工作时,产生大量热量,能否确保质子交换膜燃料电池的废热及时排出已成为其能否实用化的关键之一。直接采用温度传感器在质子交换膜燃料电池的尾气出口处测得温度,利用灰色系统解决“小样本”、“贫信息”不确定性问题的特点,建立预测尾气温度的新型数学模型,对下一时刻的出口温度进行预测,并根据预测的数据对风扇功率进行预调节,确保质子交换膜燃料电池工作在适宜的温度中。通过对实验数据的分析,此模型已达到较好的预测精度,并且由于程序的简单,较容易在硬件上实现,具有较高的实用性。     

基于BP神经网络的PEMFC稳定性及动态性预测

研究了PBI/H_3PO_4体系高温质子交换膜燃料电池(PEMFC),将其在不同压力、温度、阴极气体和负载下的稳态电位响应数据及该体系对压力变化、温度变化的动态电位响应数据作为训练数据,建立以Matlab/Simulink和BP神经网络为基础的高温下PEMFC的稳定性能和动态性能的预测系统。通过所建立的神经网络模型对电池的稳态电位输出和动态电位响应进行模拟,结果表明,所建立的模型可以对电池的稳态及动态行为进行准确模拟,这为PBI/H_3PO_4体系高温PEMFC的控制及性能预测提供了一定的参考。     

质子交换膜燃料电池电流分布测定

目前大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减。研究质子交换膜燃料电池电流密度分布 ,是解决其电池放大过程中性能衰减的基础 ,对提高燃料电池的比功率 ,加速其商业化进程具有重要意义。采用子电池方法 (SubcellApproach)对质子交换膜燃料电池电流分布进行了测定 ,采用网状流场 ,面积为 13 0cm2 。分别考察了气体压力、气体流量、电池温度及不同放电电流密度等条件对电池电流分布的影响。实验结果表明 ,采用网状流场电流密度分布并不均匀。分析了网状流场内流体、水分布情况 ,提出了一种网状流场新的流型。这种方法还可以应用于蛇型流场及其他流场电流分布的测定     

基于灰色预测的空冷型PEMFC发电系统实时最优温度无模型自适应控制

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的输出性能受工作温度、气体流速、尾气排放间隔等操作参数的影响,其中工作温度是影响输出性能的关键因素。针对空冷型PEMFC发电系统温度控制所具有的非线性、时滞、慢时变等复杂特性,提出基于灰色预测的无模型自适应控制方法实现实时最优温度控制。该方法将灰色预测的结果代替发电系统当前工作温度测量值。实验结果表明:所提方法能够在不同负载条件下实现对发电系统最优温度进行实时跟踪。与增量式PID控制相比,所提方法有效减小了系统的超调,使发电系统输出功率更平稳,有利于发电系统的长期稳定运行,延长电堆的使用寿命。且所提方法仅根据PEMFC输入输出数据在线对控制器进行调整,对PEMFC参数不敏感,可应用于类似空冷型PEMFC发电系统。     

Experimental Validation of a State Model for PEMFC Auxiliary Control

This work aims to validate experimentally a state model for a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) system control. In this model, the air-supply dynamic is analyzed. The air is assumed to be compressible, and the model takes into account the compressor, the humidification device, the inlet and outlet manifolds, the fuel-cell stack, and the proportional solenoid valve at the outlet. This model is described by the following variables: the total mass flow, the pressure, the temperature, and the relative humidity. The effect of the air-supply device on the system's behavior (stack voltage$ldots$) is analyzed and validated on a 600-W power PEMFC fuel experimental data. The model results fit well with the experiment and it will help to optimize the stack net power.      

燃料电池测试实验台的设计与研究

设计了一种新型的7 kW燃料电池测试平台。西门子SIMATIC S7-1200 PLC作为主控制器,对实验台进行安全稳定控制。对于氢气露点温度的控制,采用了神经网络控制算法。以多变量输入和多点加热的方式,很好地解决了露点温度困难和冷凝水问题。该实验平台具有模拟实际工况功能,可根据负载变化自动调整各个变量以达到合理的值。使用LABVIEW软件设计了界面友好,功能强大的上位机软件。上位机软件与主控制器通过Modbus TCP协议通讯。     

PEMFC空气膜增湿系统的性能

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和膜增湿器一维性能分析模型,模拟了空气流量、压力和温度等条件对PEM FC及膜增湿器性能的影响,模拟结果与实验数据吻合良好.根据模型对PEMFC膜增湿系统的非稳态性能进行了预测.空气进气温度的动态响应特性对膜内水含量梯度的影响显著,对膜内水的扩散系数几乎无影响.     

PEMFC并网发电系统建模与优化控制

结合质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）电化学特性、气体流量特性及温度特性,考虑FC模块的效率及寿命,建立基于PSCAD/EMTDC的PEMFC发电系统自定义动态模型,提出PEMFC组中FC模块运行优化算法及其并网控制策略。FC模块运行优化利用先进先出算法,实现FC模块等时运行,DC/DC变换部分采用Boost电路电压外环、电流内环的双环控制,实现DC电压平稳输出,DC/AC并网逆变器采用功率外环、电流内环的双环控制的定功率控制策略,实现系统友好同步并网。通过PSCAD/EMTDC软件平台,仿真验证了所提系统的正确性和有效性。     

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。