质子交换膜燃料电池系统建模及性能研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,一维非等温两相流模型,空气系统模型,敏感性分析,参数辨识,控制策略的论文, 主要内容为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具备高功率密度、零污染的优点,但其商业化仍需解决寿命和成本的应用瓶颈。目前燃料电池行业普遍存在缺少高效的试验数据分析手段、未能掌握先进的数学模型建模验证方法、优化技术的应用成熟度不足等研发困境,这导致整车厂沿用经验设计方法无法提前评估电堆性能,进而系统集成及其调试严重依赖成本高昂的电堆测试台架。针对该问题,需要建立基于系统工程的正向研发体系,其中数学模型及其参数标定作为系统设计的重要工具与技术手段,对于实现燃料电池系统的高精度控制至关重要。然而由于以往集总参数模型难以反映物理参数的空间分布特性,同时无法考虑液态水的生成和积累过程,难以满足燃料电池控制策略开发的要求。为此,本文以一维模型为工具,依托试验测试运用进化算法进行参数辨识,探明水热传输机理,建立高精度燃料电池模型。然后开展不同尺度下的模型结构研究,并结合集总参数模型构建多尺度系统级模型,实现燃料电池系统分析及控制策略优化,对该领域的“数字孪生”具有一定参考价值。主要研究工作如下:(1)提出了面向控制的一维非等温两相流燃料电池模型。结合集总参数模型与分布参数模型的优点,考虑流道内气体瞬态效应、多孔区域内水相变,建立了电堆机理模型,并对其有效性进行了系统验证。结果表明,所建模型具有较好的实时性及结构可行性,能够反映内部气体浓度、水热分布特性,预测环境条件、模型参数对输出性能的影响。(2)构建了一套相对完善的模型标定验证流程体系。利用元效应法开展参数敏感性研究,并探究电流密度对敏感性结果的影响,然后根据显著性排序基于图解法对不确定参数进行筛选,最后结合稳态试验数据基于自适应遗传算法进行参数辨识,验证了非标定工况下的模型瞬态性能。结果表明,该标定验证流程体系具有较高的参数辨识效率及模型预测精度。(3)模型结构优化分析。从催化层部件、电堆系统等角度,分别对比集总参数模型、团聚体模型、机器学习模型,研究了不同建模方法下的燃料电池模型的稳态与瞬态特性,探讨了模型结构对输出性能的影响。结果表明,一维模型具有很好的适用性及稳定性,改善集总参数模型存在低估膜水含量的局限性,适用于燃料电池的系统集成及控制策略设计。(4)燃料电池系统控制及性能分析。以高精度燃料电池模型为基础,结合集总参数模型建立多尺度系统级模型,深入评估部件及电堆动态性能,对比从传统控制到智能控制的四种反馈控制算法,实现空气系统控制策略的快速优化设计。结果表明,该系统模型具有较好的完整性,能够反映变量之间的水热耦合关系,为进一步的系统优化设计与控制策略开发提供有力的技术支撑。
质子交换膜燃料电池系统建模及性能研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,一维非等温两相流模型,空气系统模型,敏感性分析,参数辨识,控制策略的论文, 主要内容为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具备高功率密度、零污染的优点,但其商业化仍需解决寿命和成本的应用瓶颈。目前燃料电池行业普遍存在缺少高效的试验数据分析手段、未能掌握先进的数学模型建模验证方法、优化技术的应用成熟度不足等研发困境,这导致整车厂沿用经验设计方法无法提前评估电堆性能,进而系统集成及其调试严重依赖成本高昂的电堆测试台架。针对该问题,需要建立基于系统工程的正向研发体系,其中数学模型及其参数标定作为系统设计的重要工具与技术手段,对于实现燃料电池系统的高精度控制至关重要。然而由于以往集总参数模型难以反映物理参数的空间分布特性,同时无法考虑液态水的生成和积累过程,难以满足燃料电池控制策略开发的要求。为此,本文以一维模型为工具,依托试验测试运用进化算法进行参数辨识,探明水热传输机理,建立高精度燃料电池模型。然后开展不同尺度下的模型结构研究,并结合集总参数模型构建多尺度系统级模型,实现燃料电池系统分析及控制策略优化,对该领域的“数字孪生”具有一定参考价值。主要研究工作如下:(1)提出了面向控制的一维非等温两相流燃料电池模型。结合集总参数模型与分布参数模型的优点,考虑流道内气体瞬态效应、多孔区域内水相变,建立了电堆机理模型,并对其有效性进行了系统验证。结果表明,所建模型具有较好的实时性及结构可行性,能够反映内部气体浓度、水热分布特性,预测环境条件、模型参数对输出性能的影响。(2)构建了一套相对完善的模型标定验证流程体系。利用元效应法开展参数敏感性研究,并探究电流密度对敏感性结果的影响,然后根据显著性排序基于图解法对不确定参数进行筛选,最后结合稳态试验数据基于自适应遗传算法进行参数辨识,验证了非标定工况下的模型瞬态性能。结果表明,该标定验证流程体系具有较高的参数辨识效率及模型预测精度。(3)模型结构优化分析。从催化层部件、电堆系统等角度,分别对比集总参数模型、团聚体模型、机器学习模型,研究了不同建模方法下的燃料电池模型的稳态与瞬态特性,探讨了模型结构对输出性能的影响。结果表明,一维模型具有很好的适用性及稳定性,改善集总参数模型存在低估膜水含量的局限性,适用于燃料电池的系统集成及控制策略设计。(4)燃料电池系统控制及性能分析。以高精度燃料电池模型为基础,结合集总参数模型建立多尺度系统级模型,深入评估部件及电堆动态性能,对比从传统控制到智能控制的四种反馈控制算法,实现空气系统控制策略的快速优化设计。结果表明,该系统模型具有较好的完整性,能够反映变量之间的水热耦合关系,为进一步的系统优化设计与控制策略开发提供有力的技术支撑。
燃料电池无人机混合动力系统设计与实验研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,垂直起降固定翼无人机,混合动力系统,能量管理方法的论文, 主要内容为无人机的续航时间成为限制其应用的重要因素,质子交换膜燃料电池具有能量密度高的特点,能够为无人机提供长时间的续航,通过燃料电池与锂电池组成混合动力系统有效解决燃料电池输出功率不足的问题,燃料电池混合动力系统具有复杂度高的特点,受到多种因素的影响,对无人机飞行性能具有重要影响,因此针对燃料电池混合动力系统的设计研究具有重要意义,本文具体的研究内容如下:首先,本文在混合动力系统拓扑结构的基础上对系统主要部件:储氢系统、燃料电池、动力电池、DC/DC等进行了选型并建立了数学模型,通过实验验证了部件模型有效性。其次,对垂直起降固定翼无人机的功率特性进行了分析,提出了基于最优航时的混合动力系统的优化设计方法,基于部件的数学模型得到混合动力系统的优化设计程序获得基于最优航时的系统总体设计方案,通过对比研究表明相对于一般设计方法可以有效提升无人机续航时间。根据系统设计方案构建混合动力系统,完成混合动力系统能量管理系统的设计,进行了分系统控制策略设计包括:氢气供应控制策略、进气风扇控制策略和DC/DC变换器输出功率控制策略。完成了基于确定规则的能量管理策略开发,在半实物仿真平台上进行了有效性验证,其巡航阶段系统平均工作效率接近燃料电池单独工作时的效率。最后,将混合动力系统与无人机平台进行整合,实现了燃料电池热管理与进气一体化设计,保证了燃料电池系统高效率高功率密度工作,通过飞行实验对混合动力系统进行了有效性验证,对不同的环境条件对燃料电池混合动力系统的运行影响进行了分析。
质子交换膜燃料电池系统建模及性能研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,一维非等温两相流模型,空气系统模型,敏感性分析,参数辨识,控制策略的论文, 主要内容为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具备高功率密度、零污染的优点,但其商业化仍需解决寿命和成本的应用瓶颈。目前燃料电池行业普遍存在缺少高效的试验数据分析手段、未能掌握先进的数学模型建模验证方法、优化技术的应用成熟度不足等研发困境,这导致整车厂沿用经验设计方法无法提前评估电堆性能,进而系统集成及其调试严重依赖成本高昂的电堆测试台架。针对该问题,需要建立基于系统工程的正向研发体系,其中数学模型及其参数标定作为系统设计的重要工具与技术手段,对于实现燃料电池系统的高精度控制至关重要。然而由于以往集总参数模型难以反映物理参数的空间分布特性,同时无法考虑液态水的生成和积累过程,难以满足燃料电池控制策略开发的要求。为此,本文以一维模型为工具,依托试验测试运用进化算法进行参数辨识,探明水热传输机理,建立高精度燃料电池模型。然后开展不同尺度下的模型结构研究,并结合集总参数模型构建多尺度系统级模型,实现燃料电池系统分析及控制策略优化,对该领域的“数字孪生”具有一定参考价值。主要研究工作如下:(1)提出了面向控制的一维非等温两相流燃料电池模型。结合集总参数模型与分布参数模型的优点,考虑流道内气体瞬态效应、多孔区域内水相变,建立了电堆机理模型,并对其有效性进行了系统验证。结果表明,所建模型具有较好的实时性及结构可行性,能够反映内部气体浓度、水热分布特性,预测环境条件、模型参数对输出性能的影响。(2)构建了一套相对完善的模型标定验证流程体系。利用元效应法开展参数敏感性研究,并探究电流密度对敏感性结果的影响,然后根据显著性排序基于图解法对不确定参数进行筛选,最后结合稳态试验数据基于自适应遗传算法进行参数辨识,验证了非标定工况下的模型瞬态性能。结果表明,该标定验证流程体系具有较高的参数辨识效率及模型预测精度。(3)模型结构优化分析。从催化层部件、电堆系统等角度,分别对比集总参数模型、团聚体模型、机器学习模型,研究了不同建模方法下的燃料电池模型的稳态与瞬态特性,探讨了模型结构对输出性能的影响。结果表明,一维模型具有很好的适用性及稳定性,改善集总参数模型存在低估膜水含量的局限性,适用于燃料电池的系统集成及控制策略设计。(4)燃料电池系统控制及性能分析。以高精度燃料电池模型为基础,结合集总参数模型建立多尺度系统级模型,深入评估部件及电堆动态性能,对比从传统控制到智能控制的四种反馈控制算法,实现空气系统控制策略的快速优化设计。结果表明,该系统模型具有较好的完整性,能够反映变量之间的水热耦合关系,为进一步的系统优化设计与控制策略开发提供有力的技术支撑。
质子交换膜燃料电池膜电极试验系统开发
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,电化学环境分析,软硬件联调,膜电极测试的论文, 主要内容为质子交换膜燃料电池以较低的工作温度、较短的启动时间、较高的效率等优点,被认为是最有发展前景的能量转换装置之一。当前燃料电池系统的成本、寿命、冷启动等痛点是制约燃料电池大规模商业化应用的主要因素,是燃料电池技术的研究重难点,燃料电池的老化进程、性能衰减以及参数变化都与膜电极状态相关联。目前商用的膜电极试验台存在着性能影响参数控制自由度局限,瞬态变工况模拟能力不足等缺点,本文设计开发了一套针对100W小功率燃料电池膜电极的、拓展性强、可控参数全面的、可实现变工况测试的试验系统,对膜电极性能测试,探究燃料电池瞬态特性与控制策略研究等方面具有重要意义。主要研究内容如下:本文首先根据膜电极的测试环境,对硬件系统功能需求进行了分析,结合质子交换膜燃料电池膜电极的工作原理与试验需求,对软件系统进行了需求分析,提出了试验系统的总体设计方案。其次,基于硬件需求分析和燃料电池的工作原理,根据硬件系统测量精度需求对各模块元器件进行了选型,并运用Solidworks 3D建模软件对台架整体和内部布局进行了构建,指导完成了台架主体的实体搭建。同时对硬件控制模块详细的设计,通过选用高精度测控仪器,利用反馈控制满足了硬件功能需求。再次,基于燃料电池膜电极测试的试验流程,结合膜电极试验的配套软件的功能需求,对软件的整体框架进行了设计分析,并基于软件框架,结合上位机与PLC和恩智电子负载的通信协议,在Visual Studio2017的开发环境下,运用C#语言进行了程序编写,同时对PLC和触摸屏进行了软件开发和测试,开发的软件可以很好地实现对测试系统内各参数信息的监控,以模块化思维将软件测试功能分块设置,能够通过自动测试模块实现极化曲线、瞬态工况等试验测试,以实现对膜电极的性能测试。最后,对台架进行了联调测试,验证了系统对流量、温度、湿度等参数满足控制需求。运用搭建完成的软硬件平台,针对25cm2的膜电极进行了极化曲线测试,主要探究了不同电芯反应温度、阴阳极背压和进气湿度对膜电极性能的影响,得到的膜电极输出特性与目前已有的结论一致,同时进行了瞬态变工况试验,验证了系统的整体功能。通过手动测试和试验的方式,表明膜电极测试系统实现了预期目标。
质子交换膜燃料电池流场板及冷却组的数值模拟研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,气体流道结构,凸台布置方式,电池堆冷却组,流体均匀性的论文, 主要内容为质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量密度高、启动温度低、工作寿命长等优点在包括交通、备电和移动设备领域等各领域广泛应用,然而其实际工作性能因流场板的内嵌流道结构以及燃料电池堆冷却组热管理策略所引起的内部传质与传热不均的问题而并不理想。本文通过搭建的PEMFC的三维模型,基于COMSOL平台分析了单直通道结构、流场板中内嵌凸台的结构及布置方法对于电池水传输特性,均匀性以及输出特性的影响,分析了冷却流道及冷却水歧管的结构参数以及操作参数对于电堆的热特性以及均衡性的影响。结果表明:单直流道高度以及流道肋宽比越小,燃料电池的输出性能越好,但随流速的增加,负载功率损耗增大。在阴极侧流动通道上添加矩形凸台,增强了反应气体向催化剂层的气体的传质作用,改善电池输出性能。随着矩形凸台的数量的增加,通道内摩尔浓度的峰值增大,而内部的压差也呈现指数型增长。三角形凸台对于反应气流起到引流的作用,三角形的角度越大,气体向电化学反应区的传质越强,在高电流范围内,氧气的分布也更均匀。在对多通道蛇形流场中凸台布置方式和变凸台高度的研究中,凸台的存在增强了反应物向催化层的传输,拓宽了电流密度的工作范围。在通道后部布置凸台的气体均匀性最好,而在整个通道布置凸台可以获得最大的电流密度。对于后置凸台的布置方式下的电池,凸台高度随幂函数变化的连续矩形凸台布置方案对于水传输特性,均匀性以及输出特性的影响显著。较小的幂指数(小于1.00)可以进一步提高最大净功率,而较大的幂指数(大于1.00)有着较低的水淹区域,且氧气分布均匀性得到显著改善,电流密度沿流体通道最为稳定。在燃料电池堆内部的冷却流道及冷却歧管对温度特性和均衡性影响方面,随着冷却水流量的增加,冷却板表面的温度分布均匀性也在增加,在共同压降范围内,新型5-1蛇形流道能够达到最好的均匀性。各种冷却板设计下电池堆的温度从外侧单电池到内侧电池会不断上升,在最内侧电池的膜电极处温度达到最大。在对燃料电池堆冷却水歧管的研究中,随歧管高度越高,温度分布越均匀,但当高度大到一定程度时,均匀性影响变小。随冷却水流量的增加,不同方案的电池堆的内部偏差系数均呈现增长的趋势。在共同压降范围中,单蛇形冷却道电堆有着最低的偏差系数,在压降较低的范围内,新型5-1蛇形冷却道电池堆的均匀性最好,而平行流道电池堆的均匀性最差。
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