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。     

蒸汽动力系统设计与多周期运行同步优化

蒸汽动力系统(Steam power system,SPS)是炼油企业的重要组成部分,针对炼油企业蒸汽动力系统设计与运行方案上存在的不合理方面,通过对蒸汽动力系统建立混合整数线性优化模型(MILP),改善部分系统结构、调整系统多周期运行方案,从而降低蒸汽动力系统的运行费用实现系统的优化。以某炼油企业蒸汽动力系统实为背景,对企业蒸汽动力系统的设计与多周期生产调度方案进行优化,并验证优化策略的有效性。     

考虑不确定汽电需求的蒸汽动力系统优化设计

蒸汽动力系统优化设计不仅要保证系统全周期总费用最小,还要保证系统具有一定可操作性应对各种不确定变工况影响。本文提出了同时考虑汽电需求确定性多周期变化以及燃料、电力价格,汽电需求不确定性变化的蒸汽动力系统优化设计策略,专门提出不确定变化参数对优化目标及约束的影响以及数学表达,建立混合整数线性规划(MILP)优化模型进行求解,并应用于某石化企业蒸汽动力系统优化设计。实例设计结果表明,与按照传统策略设计结果相比,应用本文提出的考虑不确定参数的设计策略获得的优化方案,具体设计了针对不确定因素实现而对应的运行调度安排,降低年总费用,保证系统安全稳定运行,实现经济性和可操作性综合最优。     

无人机用燃料电池系统性能分析

建立了无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）动力系统性能随大气环境变化的数学模型,通过Matlab进行仿真,分析海拔高度对PEMFC系统运行状况和热力学性能的影响。结果显示: 随着高度的增加,系统输出电压、输出电功率及系统电效率呈下降趋势;当高度一定时,随着电流密度的增加,系统输出电功率有最大值,但电堆输出电压和系统输出电效率下降;氢气进气压力的增大使系统的输出电压、电功率和电效率逐渐增大;为了提高燃料电池系统在一定高度下的性能,需要选择合适的电流密度和较高的氢气进气压力。     

大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究

随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明：在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。     

质子交换膜燃料电池启动策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在启动时各单片电池将出现高电压,而高电压会加速催化剂碳载体的腐蚀,进而影响电堆的性能。为了降低燃料电池启动时形成的高电压和缩短高电压维持的时间,本文通过实验研究对比分析了常规启动、联合最低单片电压启动和减小氢气进气压力启动3种不同启动方式对PEMFC的影响,提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略是减小电堆启动时氢气进气压力,当电堆最小单片电压值大于0.3V后立即切入10?启动负载。结果表明,该策略不仅可以明显降低电堆启动时最大单片电压值,还缩短了高电压维持的时间,有利于提高电堆耐久性,是一种十分有效的PEMFC启动控制策略。     

质子交换膜燃料电池的脉动进氢实验

基于实验室自制的质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）及相关设备搭建测试平台,设计并进行了与可能影响燃料电池输出性能的因素相关的三组实验,即从不同位置脉动进氢,改变其脉动压强,调整负载电压继而研究燃料电池在恒压模式下的输出电流随时间变化的关系。测试结果表明：采用脉动进氢比频繁排水更能提高输出电流;从阳极出口脉动进氢及增大其脉动压强均有助于提高输出电流;当负载电压增大到一定程度后,燃料电池仅靠脉动进氢即可完全取消周期性排水;在某一负载电压下,脉动进氢的参数组合存在使系统获得最优的输出功率及其稳定性的对应值。     

大惯量负载永磁同步电机优化控制

针对采用传统PI电流反馈解耦的大惯量负载永磁同步电机电流跟踪误差大、转速控制系统动态响应慢的问题,提出基于电压前馈解耦的电流矢量控制策略,并将实时观测的负载转矩补偿于电流控制环,既消除耦合项的影响减小电流跟踪误差,又加快了转速控制响应速度,提高了大惯量负载永磁同步电机转速控制系统的动、静态性能。因转动惯量随工况不同而变化,设计了转动惯量在线辨识和负载转矩实时观测器,进一步提高了转速控制精度。对控制策略与传统PI电流反馈解耦非转矩补偿控制进行对比仿真,并对转动惯量在线辨识和负载转矩实时观测进行了仿真验证,证明了其有效性。     

燃料电池发动机电堆散热的控制

在对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热分析的基础上,搭建起36kW的燃料电池发动机散热系统的测试平台。借助测试平台,对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。分析表明,该散热系统能满足系统的散热要求。此外通过对不同组合散热风扇的散热能力进行了测试,积累了大量的基础数据和控制经验。最后以电堆出水温度误差、温度误差变化量和燃料电池功率为输入量,散热风扇的运行组数为输出量,制定出一套三维模糊控制规则。结果表明,该模糊控制规则能够保证燃料电池工作在最佳温度区间,温控误差符合设计要求。     

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。     

A Data‐Driven Gaussian Process Regression Model for Two‐Chamber Microbial Fuel Cells

Rapidly and accurately modeling of microbial fuel cells (MFCs) plays an important role not only in thorough understanding of the effects of operating conditions on system performance, but also in the successful implementation of real‐time maximization of power output. Although the first principle electrochemical model has better generalization performance, it is often time‐consuming for model construction and is hard to real‐time application. In this study, a nonparametric Gaussian process regression (GPR) model is used to capture the nonlinear relationship between operating conditions and output voltage in the MFCs. A simple online learning strategy is proposed to recursively update the hyper‐parameters of the GPR model. The applicability and effectiveness of the proposed method is validated by both the simulation and experimental datasets from the acetate and the glucose and glutamic acid two‐chamber MFCs. The results illustrate that the online GPR model provides a promising method for capturing the complex nonlinearity phenomenon in MFCs, which can be greatly helpful for further real‐time optimization of MFCs.     

1.5 kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。     

Numerical optimization of proton exchange membrane fuel cell cathodes

A fuel cell gradient-based optimization framework based on adaptive mesh refinement and analytical sensitivities is presented. The proposed approach allows for efficient and reliable multivariable optimization of fuel cell designs. A two-dimensional single-phase cathode electrode model that accounts for voltage losses across the electrolyte and solid phases and water and oxygen concentrations is implemented using an adaptive finite element formulation. Using this model, a multivariable optimization problem is formulated in order to maximize the current density at a given electrode voltage with respect to electrode composition parameters, and the optimization problem is solved using a gradient-based optimization algorithm. In order to solve the optimization problem effectively using gradient-based optimization algorithms, the analytical sensitivity equations of the model with respect to the design variables are obtained. This approach reduces the necessary computational time to obtain the gradients and improves significantly their accuracy when compared to gradients obtained using numerical sensitivities. Optimization results show a substantial increase in the fuel cell performance achieved by increasing platinum loading and reaching a Nafion mass fraction around 20-30 wt.% in the catalyst layer.     

UUV闭式循环燃料电池系统与推进功率匹配控制

针对用蓄电池作为能供系统的水下无人潜航器（UUV）经常需要回到母船或岸基进行充电,不能够实现长期水下航行的问题,提出并设计了一种适用于UUV的新能源系统--闭式循环燃料电池系统,可在UUV排水量不变的情况下提高其水下续航能力。为了实现闭式循环燃料电池系统与UUV输出功率匹配控制,依据燃料电池的化学、热工流体等特性建立了其数学模型,通过仿真实验分析得到了影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)输出电压的主要因素,同时采用BP算法和模糊规则设计了一种控制策略。仿真实验结果表明,提出的闭式循环燃料电池及其控制系统能满足与UUV推进功率匹配的要求,为下一步的实验系统研制奠定了基础。     

Controlling of Proton Exchange Membrane Fuel Cell by Model Predictive Controller Based on ANFIS Model

Proton exchange fuel cell is one of the most promising new technologies in electrical energy production. Due to slow dynamic, nonlinearity and dependency of time changing variables of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), its control issue is a challenging problem. In this paper, model predictive controller (MPC) based on the adaptive neuro‐fuzzy interface model of the PEMFC is proposed to control the output voltage. First the adaptive neuro‐fuzzy interference system (ANFIS) model is identified to approximate the dynamic behavior of the PEMFC system with a set of data which are taken from a physical model of a 5 kW PEMFC setup plant. Then the branch‐and‐bound method and the greedy algorithm are used to solve the constrained optimization function of the predictive control problem. The results reveal that the ANFIS model can effectively approximate the dynamic behavior of the PEMFC and the predictive controller based on this model can successfully control the output and satisfy the constraints.     

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。     

高压脉冲电场技术在污泥资源化利用的试验

采用高压脉冲电场技术(PEF)处理城镇污泥,分析电场强度、频率、波形、占空比对污泥破壁效果的影响,并优化不同控制条件下的试验效果。结果表明:4种控制参数对污泥破壁效果均有很大的影响;其中,占空比越低,污泥破壁效果越佳;在120 min处理时间内,电场强度为12 kV/cm、频率为50 Hz、占空比为10%、波形为方波时,SCOD增幅为398.8%。这是首次在研究中使用该技术进行污泥处理将SCOD的含量提高近4倍。说明,PEF技术参数的优化有着显著提高污泥资源化利用的潜力。     

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.     

精密注塑机机筒温度控制与抗干扰研究

针对机筒温度控制偏差较大问题,提出时间最优控制与模糊PID控制相结合对精密注塑机机筒温度进行实时控制的方式。利用模糊控制可在线调整PID控制器的参数,兼顾时间最优控制快速消除大偏差和PID控制精度高的优点,获得动态性能指标,达到了升温快速、超调量小和稳态误差小的要求。通讨Matlab对该方案进行仿真,并通过实验进行了验证。结果表明,模糊PID控制算法动态响应好,控制精度高,能够实现温度偏差在±1. 5℃范围的控制要求。     

一种改进的热泵供暖系统动态实时优化策略

基于经济性目标的热泵供暖动态优化操作具有重要意义，但在操作区间内环境温度和模型参数变化的不确定性会对实际优化操控带来很大挑战。在完善热泵供暖系统模型的基础上，提出了一种改进的动态实时优化控制策略以改善系统的实际节能效果。该方法首先建立以压缩机和送水泵运行频率为控制变量的热泵供暖系统的非线性动态关系模型，并得到以24 h为周期、以综合性能指标最低为目标的动态实时优化命题。然后，在给定24 h环境温度预测情况下通过求解该优化命题得到热泵压缩机和送水泵的最优运行频率轨线，并以当前时间点的最优控制量对热泵供暖系统进行控制；接着，基于天气逐时预测和模型参数最新校验结果对环境温度轨线或者模型参数进行更新，不断地求解原优化命题以更新最优控制轨线，并不断地采用当前点的最优控制量对热泵供暖系统进行控制，直到当前时间点达到第24 h。实例计算结果表明：采用本文提出的方法可以进一步改善热泵供暖系统的动态优化操控效果，并能够很好地满足给定终端约束要求。本方法对于具有周期性和不确定参数的动态实时优化问题求解具有一定的借鉴意义。