固体氧化物燃料电池温度系统的改进型广义预测控制方法

固体氧化物燃料电池的工作状态是一个高温、高速率变化的化学反应过程,其入口气体温度的稳定性直接影响到燃料利用率和电池效率。本文提出一种改进的带有外部输入的非线性自回归积分滑动平均模型,结合两极燃料和空气的流量比、负载电流变化值来实现入口气体温度的非线性广义预测控制方法,采用了基于非线性最小二乘法的Levenberg-Marquardt算法确定该模型的参数。仿真结果表明,该模型与温度控制系统的传递函数模型相结合后能有效并迅速的获得燃料、氧化剂流量这两种操作量的预测值并使系统在较高的温度工作点当负载电流发生波动时能克服变化引起的参数偏差,保持运行时输出电压的稳定性。     

基于LPV模型的燃料电池空气进气系统控制

质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气的电化学反应将化学能直接转化为电能的装置。提出一种改进的四阶燃料电池进气系统模型,分析了系统的约束性。针对系统模型所具有的非线性特性,提出建立线性变参数（LPV）模型用于对系统的控制。针对状态变量不可测的问题引入卡尔曼滤波器,同时通过可观性分析得出系统所需测量的最佳变量。在符合约束条件下设计基于线性变参数模型的状态空间模型预测控制器,控制空压机的工作电压保证氢气燃料的充分反应。仿真结果表明,基于LPV模型的模型预测控制器能够对空气进气系统进行有效的控制,且满足空压机喘振和阻塞边界等约束条件,与单模型预测控制相比具有更好的控制效果。     

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。     

固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化

固体氧化物燃料电池是21世纪最有希望作为分布式电源和大型电站的清洁高效的发电技术之一。针对1MW固体氧化物燃料电池发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,并在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,对其系统参数进行了灵敏度分析和优化。     

固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)工作温度高，阳极可发生燃料内重整反应，具有较高的燃料灵活性，同时可与燃气轮机(Gas Turbine, GT)构成固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)混合动力系统进一步提高系统效率。SOFC/GT混合动力系统一般分为底层和顶层循环2种，考虑到SOFC/GT示范性工程有限且建造成本高，一般采用数学建模仿真方法开展SOFC/GT研究。与单独SOFC或GT模型不同，常采用热力学建模仿真对SOFC/GT系统性能进行分析优化。介绍了SOFC/GT混合动力系统常用热力学模型，并对目前SOFC/GT混合动力系统常见稳态和动态热力学建模工作展开综述，考虑到现阶段SOFC/GT混合动力系统多采用商业化软件(Aspen Plus、COMSOL、gPROMs等)建模，建模功能有限、不易拓展，后续工作可基于Matlab、Python等软件进行开源代码的编程；现阶段主要围绕系统级集总模型开展分析，无法准确描述燃料电池的局部特性，后续工作可在SOFC/GT建模中引入一维甚至更高维度的SOFC模型进一步提高建模精度。     

金属陶瓷阳极材料的高效固体氧化物燃料电池研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)利用金属陶瓷作阳极材料,具有能量转换效率高、燃料适用性强和无腐蚀等优点,是当今一种先进的能量转换装置。本文分析了固体氧化物燃料电池在电解质和电极材料方面的性能和特点,研究了金属陶瓷阳极材料及SOFC单电池的伏安特性和性能,探讨了固体氧化物燃料电池的应用和发展前景。     

质子导体固体氧化物燃料电池模拟研究的进展

质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)具有全固态结构及燃料适用性广等优点,对于解决世界能源短缺和改善环境污染等问题存在巨大潜力.本文首先介绍了H-SOFCs的工作原理,然后对电化学模型建立过程进行综述,最后指出在电池堆电化学模型研究中需注意的问题.     

固体氧化物燃料电池性能衰减的材料因素概述

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)作为新一代的能量转换装置,可将燃料的化学能直接转化为电能,同时,还能提供大量高品质热能,具有清洁高效的特点.然而,SOFC制造成本高、寿命短等问题是制约商业化进程的关键所在.运行寿命的增加也是降低成本的方法之一,而电极烧结、电极材料中毒、电池组件...     

微生物燃料电池的动态性能分析及其神经网络预测控制

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）反应底物浓度的控制问题是整个系统优化控制的重要环节,其控制效果的优劣对系统的输出电压有很大的影响。针对MFC输出电压在常规控制策略下超调量大和响应速度慢的特点,对MFC系统模型中输入量、控制量的变化对系统输出的影响进行动态仿真;将负载电流作为扰动量,提出了针对MFC系统阳极进料流量进行控制的神经网络预测控制策略。仿真结果表明,与PID控制方法相对比,利用神经网络预测控制策略的系统输出电压响应速度快且超调量小,其动态性能得到了较大的改善。     

燃料电池的发展趋势

介绍了燃料电池的工作原理、优缺点;同时以燃料电池应用为背景,综述不同类型的燃料电池如车用质子交换膜燃料电池、航天飞行器用再生燃料电池、小型便携式产品用直接甲醇燃料电池、中小型电站用固体氧化物燃料电池(SOFC)、微生物燃料电池(MFC)的技术发展现状与研究热点,并指出了未来燃料电池的发展趋势.     

Simulation Code for Gasoline Driven Fuel Cell Cars

A simulation model of a car driven by a gasoline based fuel cell system was generated with Matlab/SIMULINK. The model of the vehicle represents a common compact class passenger car equipped with an electric power train, fuel cell system and with and without an additional battery. For the fuel cell system two variants have been implemented, a PEMFC and a high temperature SOFC system. Both models consist of an on‐board gasoline reformer, stack and auxiliary components such as evaporator, catalytic burner, fuel pump, fans and control unit with additional FC‐type specific components such as air preheater or CO‐shifter. The simulation model allows the comparison of the two FC systems in different automotive traction concepts (fuel cell vehicle, hybrid car) varying all important parameters such as driving cycle or fuel cell nominal power. In this paper the simulation model is described and first simulation results are given.     

Steady-state operation of a compressor for a proton exchange membrane fuel cell system

The performance of a system consisting of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell coupled to a centrifugal air compressor is simulated. Two modes of operation of the system are investigated: one in which the speed of the compressor is constant, and the other in which the compressor speed is varied with the electric load on the fuel cell stack. The operating characteristics of the compressor and the PEM fuel cell stack and their influence on the system efficiency are analyzed for a step change in the stack current. The effects of the fuel cell stack back-pressure and the electric load on the compressor power consumption and the system efficiency are studied. It is found that the system efficiency is higher when the fuel cell stack is operated at a constant oxygen gas stoichiometry by varying the compressor speed instead of at a constant compressor speed. The system model can be used to determine the rotation speed of the compressor for various electric loads.     

Membrane fuel cells - concepts and system design

The low power range can be an interesting application market for the PEM fuel cell in the near future. With a possible function as battery in portable devices the banded structure PEM fuel cell will be an advantageous alternative to the conventional stack. The new system provides high output voltages, a flat cell geometry and can be optimized with respect to smaller cell volumes. The article describes the principle function of such a system and the necessary parameter for optimizing the cell geometry. A comparison with a conventional stack design is given and experimental results with an eight cell banded structure stack are presented.     

可平行或独立分开运行的120kW双燃料电池动力系统研制

描述了一种可以平行或独立分开运行的120kW双燃料电池动力系统。这种大功率的双燃料电池动力系统可以用作城市大巴动力发动机或地面发电站。该系统包括两套集成式的燃料电池堆,为每套集成式燃料电池堆支持运行的空气输送子系统,氢气输送子系统,冷却流体循环子系统都实行了统一的一体化设计,以达到减少体积、减少质量,符合车载或固定式发电需要。     

Enhanced performance of CO poisoned proton exchange membrane fuel cells via triode operation

The effect of triode operation on the performance of CO poisoned PEM fuel cells was investigated. In this mode of operation a third, auxiliary, electrode is introduced in addition to the anode and the cathode. Application of electrolytic current in the auxiliary circuit, comprising the cathode and the auxiliary electrode was found to significantly enhance the time-averaged power output of a state-of-the-art PEMFC unit operating with a 70 ppm CO in H₂ atmospheric pressure mixture. Both normal and triode operation were found to lead to self-sustained current and potential oscillations in the fuel cell circuit over wide ranges of external resistive load. The time averaged increase in power output was found to be typically a factor of three higher than the power output in conventional fuel cell operation and up to a factor of 1.32 larger than the power sacrificed in the auxiliary circuit. The mechanism of the enhanced anodic electrocatalysis was investigated via the use of two reference electrodes and the results are discussed together with a possible design for application of the triode concept in stacks.     

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。     

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。