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空冷型质子交换膜燃料电池内部传递特性的研究

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空冷型质子交换膜燃料电池内部传递特性的研究

作者：赵润贤上海交通大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池是一种直接将氢气和氧气进行电化学反应从而获取电能的能量转换装置,具有效率高、清洁无污染、噪音低等优点,在便携式移动电源、汽车动力、固定式电站等场所有广阔的应用前景。其中,空冷型质子交换膜燃料电池由于不... 详细信息

质子交换膜燃料电池是一种直接将氢气和氧气进行电化学反应从而获取电能的能量转换装置,具有效率高、清洁无污染、噪音低等优点,在便携式移动电源、汽车动力、固定式电站等场所有广阔的应用前景。其中,空冷型质子交换膜燃料电池由于不采用空气压缩机和增湿装置,可以有效降低系统的复杂度、简化结构设计,适用于无人机、便携式电源等小功率应用场景。然而,空冷型燃料电池工作在阳极不加湿、阴极直接暴露在空气中的工况下,这对电池的水管理提出了严峻的挑战。本文通过建立三维、非等温、两相流稳态模型,结合实验研究的方法,揭示了阴极大化学计量比的空冷型燃料电池工作过程中的内部传递特性,有助于分析影响空冷型燃料电池运行的关键因素以及指导流场设计。本文的主要研究内容为:(1)首先,对基本案例(Base Case)建立仿真模型,将电池的操作条件设定为:氢气化学计量比为1.5、氢气的相对湿度为0%、空气的化学计量比为150、空气的相对湿度为60%,在测试平台上获取单电池的极化曲线以验证仿真模型。结果表明,空冷型燃料电池的阴极有明显的水淹现象,其中,阴极“筋部”下方的液态水淹要比阴极“流道”下方严重得多。阴极和阳极的物质分布呈现相似的规律,即水蒸气、氢气和氧气沿着氢气流动方向呈现周期性分布的特征。质子交换膜的含水量具有两个特征:1)空冷型质子交换膜燃料电池的平均含水量低于传统的液冷型燃料电池;2)阴极“筋部”下方和“流道”下方的含水量相差较大。这一结果表明,一方面,空冷型燃料电池的膜的含水量较低,电池性能较差;另一方面,“筋部”和“流道”下方含水量的差异导致膜的内应力较大,质子交换膜经过长时间运行之后可能出现破坏的情况。(2)在基本案例的基础上,本文考察了参数(阴极空气化学计量比、阴极空气相对湿度以及阴极流道宽度)对空冷型燃料电池性能的影响。结果表明,阴极空气化学计量比越大,单电池的温度越低,质子交换膜的含水量越高,电池的性能越好。不同的化学计量比下的电池具有一个相同的特征:质子交换膜含水量在氢气流动方向上呈现周期性波动的特点,极小值出现在阴极流道下方,极大值出现在阴极“筋部”下方。阴极进气相对湿度越高,电池的性能也相应地提升。但是,阴极水淹程度也随之变得更严重。较窄的阴极流道有利于改善电流密度分布的均匀性、提高膜的润湿程度,从而提升了电池的性能。(3)为了更加全面地研究空冷型燃料电池的内部传递特性,本文还基于电化学交流阻抗谱测试方法,分析了空冷单电池在不同工况下的阻抗特性。结果证明,空气化学计量比越小,电池的活化极化阻抗越大;空气的相对湿度越小,电池的阻抗越大,在相对湿度为0%的干空气工况下,电池的欧姆阻抗和活化极化阻抗非常大;阴极流道越窄,电池的活化极化阻抗越小,但是阴极流道尺寸对阻抗的影响程度远小于空气化学计量比。由此可见,实验研究结论和理论模型的结果具有相同的趋势。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池内部传递特性水热管理数值计算参数敏感性分析

空冷型质子交换膜燃料电池热管理系统建模与温度控制策略研究

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空冷型质子交换膜燃料电池热管理系统建模与温度控制策略研究

作者：梅杰电子科技大学

学位级别：硕士

燃料电池被认为是一种颠覆性技术,它直接将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转化为电能。其中质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）凭借其高效、低噪声、零排放和能量密度高等优势在可再生发电领域备受... 详细信息

燃料电池被认为是一种颠覆性技术,它直接将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转化为电能。其中质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）凭借其高效、低噪声、零排放和能量密度高等优势在可再生发电领域备受关注与青睐。空冷型PEMFC将氧气供应系统与冷却系统集成在一起,较水冷型PEMFC缩减了外围增湿设备,从而具有更为精简的系统结构,在小型备用电源与无人机等领域具有良好的应用前景和优势。但空冷PEMFC系统存在可控变量少、水热管理高度耦合以及温度难以精确控制等问题,致使其在实际运行过程中具有较低的可靠性和稳定性,进而阻碍了其大范围商业化进程。良好的热管理系统和精准的温度调控对于提升燃料电池性能、延长寿命和加速商业化具有重要理论与现实意义。因此本文将围绕空冷型PEMFC热管理系统与温度控制策略展开以下研究:首先,通过实验探究了空冷型PEMFC热管理系统工作特性与燃料电池温度特性。基于对轴流风扇工作特性的研究,确定好其风扇转速、工作区域和工作方式,为后续风扇控制提供有力支撑。设计温度特性实验,基于实验结果获得了燃料电池最佳运行温度与负载电流的对应关系。最后采用热成像技术探究了燃料电池内部温度的分布及演变过程,为热管理系统建模与温度控制策略设计提供理论和实验数据支撑。然后,基于温度特性实验数据与空冷燃料电池反应机理,构建质子交换膜燃料电池热管理系统动态模型,该模型由输出电压模型与温度模型组成。在空冷燃料电池测试平台上设计温度动态响应实验对模型进行验证,所获得的输出电压平均误差为0.1V,输出温度平均误差为0.0126℃,结果表明,所提出的输出电压模型与温度模型能够有效预测电堆输出电压与温度,为温度控制策略研究提供模型基础。最后,以空冷燃料电池输出性能最优为目标,提出一种燃料电池最优温度控制策略。基于空冷燃料电池热管理系统动态模型以及负载电流与最佳温度之间的关系,分别设计自抗扰与模型预测控制器。在Simulink中搭建控制器仿真模型,并采用实验来验证控制器的控制效果。结果表明,两种控制器都能使燃料电池工作温度快速平稳地逼近目标温度值,模型预测控制器较自抗扰控制器具有更好的响应特性以及动态性能。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池热管理系统温度控制最佳温度区间

空冷型质子交换膜燃料电池电堆温度控制系统设计

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工业控制计算机 2009年第10期22卷 18-20页

作者：褚磊民卫东陆勇军周唯逸张怡中国计量学院机电工程学院浙江杭州310018

空冷型质子交换膜燃料电池(Air-Cooling PEMFC)电堆的工作条件中,电堆温度对电堆性能的影响最大,电堆温度的控制直接影响电堆的性能指标。首先分析了空冷型PEMFC电堆的温度特性,通过实验手段获得了电堆的最佳工作温度-电流曲线,并拟合... 详细信息

空冷型质子交换膜燃料电池(Air-Cooling PEMFC)电堆的工作条件中,电堆温度对电堆性能的影响最大,电堆温度的控制直接影响电堆的性能指标。首先分析了空冷型PEMFC电堆的温度特性,通过实验手段获得了电堆的最佳工作温度-电流曲线,并拟合出了经验公式。在此基础上设计了该类电堆的温度控制系统,提出了模糊PID融合控制算法。实验结果表明该温度控制系统具有良好的静态和动态特性,有效地解决了空冷型PEMFC电堆的温度控制问题。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池电堆温度温度特性模糊PID融合控制

空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制

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化工学报 2010年第5期61卷 1293-1300页

作者：卫东郑东褚磊民中国计量学院自动化研究所浙江杭州310018

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... 详细信息

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。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池温度特性湿度特性输出性能控制

空冷型质子交换膜燃料电池堆水热分布研究及优化

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空冷型质子交换膜燃料电池堆水热分布研究及优化

作者：杜恒重庆理工大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为一种先进的能源转换技术,在汽车动力系统和移动电源等场合具有巨大的应用潜力。根据冷却介质的不同,PEMFC可分为水冷型PEMFC和空冷型PEMFC,空冷型PEMFC因其结构简洁,... 详细信息

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为一种先进的能源转换技术,在汽车动力系统和移动电源等场合具有巨大的应用潜力。根据冷却介质的不同,PEMFC可分为水冷型PEMFC和空冷型PEMFC,空冷型PEMFC因其结构简洁,在小功率用电电源方面应用广泛。但是,由于其阴极直接处于开放空气中,工作条件更为苛刻,这对电池的水热管理带来了更大的挑战。因此,本文基于自制的空冷型PEMFC电堆,结合试验研究的方法,对空冷型PEMFC内部水热分布进行研究,针对空冷型PEMFC水热分布不均匀的问题进行结构改进,以提高水热分布的均匀性和输出性能。首先,通过搭建试验测试平台探究不同负载和风扇转速下空冷型PEMFC电堆的电压和温度的分布特性以及输出性能。结果表明,负载工况和风扇转速的变化均会对电池输出电压的一致性以及温度分布的均匀性产生影响;在高负载工况下存在一个最佳风扇转速使得输出电流最大。其次,基于试验所用的空冷型PEMFC电堆,建立轴流风扇联合燃料电池电堆的仿真模型,分析风扇出口的气流流动特性以及电堆阴极出口的空气速度分布规律。结果表明,风扇出口气流的边界层分离现象导致阴极流道内的空气流速分布不均匀,不同截面位置的空气流速近似呈“M”型分布,位于电堆中间的阴极流道空气速度分布均匀性差,位于两端的较好。然后,建立空冷型PEMFC单电池仿真模型,研究不同参数对电池水热分布和性能的影响。结果表明,随着空气流动方向,膜内温度逐渐上升,阴极“流道”下方的温度略高于阴极“肋部”下方的温度;沿氢气主流方向,膜内含水量存在周期性变化,阴极“肋部”下方的含水量高于阴极“流道”下方的含水量。均匀进气能在一定程度上提升电池内部的水热分布均匀性,但对输出性能无明显影响;空气相对湿度越高或质子交换膜越厚度越小,电池的输出性能越好。最后,通过分析阴极流道宽度和通道数量的变化对空冷型PEMFC水热分布及输出性能的影响,综合参数的影响对电池进行优化。结果表明,相同条件下,多通道结构的电池,膜内温差更小,电池内部含水量和电流密度分布更均匀。综合考虑PEMFC的水热分布均匀性以及输出性能,采用膜厚度为8μm的阴极多通道结构电池,在空气相对湿度为75%,均匀进气下的综合表现更好,性能明显提升。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池仿真模拟操作参数水热分布结构优化

PEMFC发电系统FFRLS在线辨识和实时最优温度广义预测控制方法

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中国电机工程学报 2017年第11期37卷 3223-3235页

作者：尹良震李奇洪志湖韩莹陈维荣西南交通大学电气工程学院四川省成都市610031

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统是21世纪最有前景的发电技术之一。针对空冷型PEMFC发电系统工作温度对输出性能影响问题,该文通过理论分析和实验手段研究发电系统输出性能的最优特性。根据空冷... 详细信息

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统是21世纪最有前景的发电技术之一。针对空冷型PEMFC发电系统工作温度对输出性能影响问题,该文通过理论分析和实验手段研究发电系统输出性能的最优特性。根据空冷型PEMFC发电系统温度控制对象所具有的非线性、迟滞、时变等特点,提出基于FFRLS在线辨识的PEMFC发电系统实时最优温度广义预测控制。其中,FFRLS在线辨识算法用于对非线性控制对象进行建模和在线校正。在搭建的空冷型PEMFC测控实验平台上,通过实验研究控制器参数对于系统性能的影响。阶跃响应实验结果表明:提出的控制方法能够在不同负载条件下实现对电堆最优温度进行实时跟踪。与常规PID控制比较,系统的超调量减少了约32.3%,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。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池最优温度特性广义预测控制遗忘因子递推最小二乘在线辨识

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空冷型燃料电池的阳极动态供氢策略研究

空冷型燃料电池的阳极动态供氢策略研究

作者：赵英昊电子科技大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其产物无污染、能量密度高、冷启动速度快和工作温度低等优点成为人类面对能源和环境问题时的一个理想选择。空冷型PEMFC由于省去了用于实现冷却液循环和反应气体增湿等功能的设备,所以与水冷PEMFC相比... 详细信息

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其产物无污染、能量密度高、冷启动速度快和工作温度低等优点成为人类面对能源和环境问题时的一个理想选择。空冷型PEMFC由于省去了用于实现冷却液循环和反应气体增湿等功能的设备,所以与水冷PEMFC相比具有重量轻、结构简单等优点,被视为小型用电系统的理想未来电源。氢气供给策略对空冷型PEMFC的工作性能与使用寿命具有较大影响,本文以实验室自主研发的2k W级空冷型PEMFC为研究对象,通过实验测试来研究氢气供给量对其工作性能的影响并找到合适的动态供氢策略,本文具体研究内容如下:1.研究了空冷型PEMFC工作在开放供氢模式下和闭端供氢模式下时供氢量对其工作性能的影响。在开放供氢模式下探究了供氢流量对其输出电压值和节电压一致性的影响,在闭端供氢模式下探究了供氢压力对其输出电压值、节电压一致性和加载性能的影响。2.本文还研究了空冷型PEMFC的动态供氢策略,包括固定排气周期和根据其输出电压表现自适应调整排气周期的两种动态供氢策略。为了探究出性能最优的动态供氢策略,本文设计了无模型迭代学习控制算法,在实验中通过该算法对空冷型PEMFC排气阀的开启和关闭触发条件进行迭代优化,最终得到输出性能最优的两种动态供氢策略。之后又根据性能最优的动态供氢策略研究实验中的数据,计算得到能耗比最优的两种动态供氢策略。3.为了验证动态供氢策略在实际应用中的有效性,本文选取无人机燃料电池供电系统这一使用场景,在测试平台上利用电子负载模拟大疆S1000+无人机在不同起飞重量下巡航飞行时的工况。通过该模拟实验验证了能耗比最优的两种动态供氢策略的有效性,并根据验证实验的测试结果对比了这两种动态供氢策略的实际使用效果。经研究发现,动态供氢策略可以使空冷型PEMFC工作在较为高效稳定的工作情况下,同时动态供氢策略可以节约氢气的使用量并提高空冷型PEMFC的使用寿命,从而降低空冷型PEMFC供电系统的使用成本。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池供氢模式动态供氢策略迭代学习控制