面向PEM电解制氢的虚拟同步控制技术研究

配有储氢环节的电解水制氢系统能够对功率进行调整,促进可再生能源大规模消纳,是一种理想的调节资源。在电解电源的控制中,引入虚拟同步机控制技术,以暂时改变电解制氢功率为代价,为大量新能源与清洁能源接入电网带来的转动惯量不足、频率稳定性较差等问题提供一种新的解决思路。本文以质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢系统为例,提出了一种虚拟同步电动机(virtual synchronous motor,VSM)的控制策略。首先,通过引入直流电流控制环节实现电解槽功率的自主调整,减小了负荷波动期间的电网频率变化量;其次,考虑到电解槽电流调节存在速率限制,分析了对频率调整过渡过程的影响。最后,基于MATLAB/Simulink搭建微电网仿真系统,实验结果表明,相较于传统的双闭环控制,基于VSM控制的PEM电解制氢系统在电网负荷变动期间能够自主调节制氢系统的功率,电网频率变化量减少了64.71%。

考虑耐久性的PEM燃料电池有轨电车自适应优化控制策略

针对燃料电池/锂电池/超级电容混合储能有轨电车在动态负载、启停循环、怠速循环、大功率运行时质子交换膜(PEM)燃料电池寿命衰减情况,提出Pontryagin极小值原理(PMP)与耐久性结合的能量管理策略。通过启停控制策略控制燃料电池的启动与停止,有效降低燃料电池启动次数;利用储能系统总体氢气消耗为经济性代价,燃料电池性能衰退指数为耐久性代价,构建联合代价函数;在满足期望条件下,实现协态变量随荷电状态实时变化的在线适应;将所提策略与传统极小值策略和状态机策略进行仿真对比。结果表明:城市循环工况中所提策略较于传统Pontryagin策略燃料电池峰值电流降低了33.2%,氢气消耗下降了12.50%;郊区循环工况中所提策略较传统Pontryagin策略峰值电流降低了21.88%,氢气消耗下降了40.39%。所提管理策略在不同工况下均有良好的适应能力,解决了传统PMP只能离线应用的缺点,将启停次数控制在较低水平,具有延寿燃料电池的能力。

考虑平抑风光波动的ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型

为提高风光资源的利用率,电解水制氢受到了广泛关注,但氢能在生产过程中易受到风光波动性的影响。由此,提出考虑平抑风光波动的碱性-质子交换膜(alkaline-proton exchange membrane,ALK-PEM)电解制氢系统容量优化模型。首先,为降低风光瞬时功率波动对电解制氢系统安全稳定运行的影响,采用EMD算法分析原始风电和光伏功率的瞬时波动特性,并经超级电容(supercapacitor,SC)进行平抑,构建了基于EMD的SC容量配置模型。其次,考虑不同电解槽运行特性因素,将质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解槽和碱性(alkaline,ALK)电解槽相组合替代单类型电解槽的制氢系统,提出了ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型,以提高制氢系统经济效益。最后,以某风电场和光伏电站数据为例,通过仿真计算得到系统的容量规划结果,验证所提模型在平抑波动和提高可再生能源利用率方面的有效性,并提高了制氢系统的经济性。

PEM电解制氢技术问题及现状分析

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称PEM)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外PEM制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。

PEM电解槽制氢多相传输及转化模型综述

质子交换膜(PEM)电解槽通过水解反应将电能转化为氢能。实际电解槽的水解过程是包含了热量、质量传递和电化学转化的复杂过程,构建理论模型可揭示各过程对性能的影响规律,指导电解槽的设计和优化。综述PEM电解槽电化学、物质传输和气液两相等理论模型,讨论模型发展现状和当前存在气液流动和离子传递影响规律不清晰的问题,探讨后续模型构建中应着力解决计算复杂、精度不足等难点。

高压PEM水电解制氢技术研究进展

从高压制氢技术原理出发,针对高压、高酸性的苛刻环境,综述了压力对电解效率、氢气渗透、组件降解的影响以及缓解方法等,并讨论分析了高压PEM制氢技术与制-储-运氢体系成本的关系,最后对高压PEM电解制氢技术的未来方向进行了展望。

PEM电解水制氢膜电极涂布工艺

质子交换膜(PEM)电解水制氢用膜电极卷对卷连续涂布工艺是目前研究的热点,同时也是限制膜电极量产化及国产化的制约因素之一。基于国产膜电极的批量化制备,分析了目前卷对卷连续涂布工艺的系统,介绍了涂布设备的构成及基本原理。在涂布过程中,催化剂浆料是影响产品性能及均匀性的重要因素;介绍了涂布工艺中的缺陷问题及优化方向。从设备装置,浆料配制工艺,工艺参数调试等方面综合解决目前涂布工艺中的产品缺陷问题,减少批量化生产工艺中的质量缺陷和性能缺陷,提高生产效率的同时降低电解水制氢的成本。

光伏-PEM制氢系统建模及不同耦合方式性能对比分析

光伏耦合电解槽制氢是生产氢气的主要方式,但是光伏电池输出功率会因为太阳辐照度的波动而变化,并存在间歇性发电的问题。为提高太阳能的利用率及光伏制氢系统的稳定性,建立了由光伏电池和质子交换膜(PEM)电解槽组成的间接耦合制氢系统。系统由光伏电池、PEM电解槽、最大功率点跟踪(MPPT)控制器、直流-直流(DC-DC)转换器和蓄电池组成。该系统通过蓄电池对光伏电池产生的电能进行调控,在太阳辐照度较高时储存多余电量,在光伏电池发电量不足的情况下为电解槽供电。通过仿真验证了该系统的有效性,并对比了使用不同耦合方式的光伏制氢系统的效率和产氢速率。结果表明,间接耦合系统的总效率在所用耦合系统中最高,产氢速率不随太阳辐照度的变化而改变;优化耦合系统的产氢速率最高,但是电解槽的电解效率随太阳辐照度的增大而减小;直接耦合系统由于光伏电池与电解槽尺寸不匹配的问题,导致系统总效率和产氢速率极低。

压力式PEM电解制氢系统的模拟分析

目前,国内外能源行业正在逐渐向脱碳化转型,氢能作为新能源载体,因具有高热值、高能量密度、无污染等优点而广受关注。质子膜(PEM)电解制氢技术作为目前绿色氢能制备的主要技术之一,具有产品纯度高、响应速度快等优点。目前,PEM制氢技术根据电解槽内的操作压力分类,可分为常压PEM制氢技术和压力式PEM制氢技术,而压力式PEM制氢技术又可以根据PEM膜两侧的压力不同,分为均压式与差压式PEM制氢技术。本文介绍了各压力式PEM制氢技术的发展现状,并根据电化学原理,建立了出力为20 Nm3/h的常压式、均压式与差压式PEM电解制氢工艺流程计算模型,分析了三种PEM制氢系统一天内的产氢速率与后续氢气加压的能耗,以期为PEM电解槽技术的应用与发展提供参考。

基于行程动力学参数的PEMS与CVS的排放特性研究

为了研究Ⅰ型试验中不同污染物排放特性,使用便携式排放测试系统(PEMS)与全流稀释系统(CVS),分析污染物排放因子与车辆的行程动力学参数、车速、加速度之间的相关性变化。结果表明,相对正加速度(RPA)与v·apos[95](速度与大于0.1 m/s^(2)正加速度的乘积的第95百分位)呈反比关系,CO、NOX、CO_(2)、PN排放因子均在低速段最高,CVS与PEMS采集数据趋势基本相同。汽车在加速阶段污染物排放显著增加,减速阶段污染物排放较少,对排放影响也较小,在v≤30 km/h,a≥0.8 m/s^(2)的情况下排放因子达到峰值。由于设备连接及进气方式的不同,使得CVS与PEMS的数值存在差异,但2套设备可同时用于试验以提高测试精度,因此本研究对Ⅰ型试验排放特性研究有着重大意义。

道路坡度对重型车PEMS测试影响试验研究

通过实际道路测试和试验室底盘测功机复现试验的方法,研究道路坡度对重型柴油车实际道路测试结果的影响。试验结果表明:道路坡度直接影响发动机负载状态,从而影响燃油消耗和污染物排放;比油耗和CO_(2)比排放与车辆是否处于坡路行驶无直接关联,基于里程的油耗评估无法全面反映车辆的能效水平;NO_(x)排放受多种因素影响,下坡可能因排温下降而降低选择性催化还原系统效率,导致排放升高,也可能因发动机功耗降低而减少NO_(x)排放。道路坡度是评估重型车辆实际道路排放不可忽视的重要因素。

基于PEMS测试的工程机械柴油机排放特性

以某非道路国四大功率挖掘机为对象,采用便携式排放测量系统(portable emmission measurement system,PEMS)测试方法研究其在不同工况实际作业的排放特性,计算基于功率、时间和油耗的气态污染物排放因子,并分析基于时间加权与功基窗口法的气态污染物比排放差异。研究结果表明:挖掘机实际作业工况主要分布在中高转速和负荷区域,行走工况和作业工况下柴油机输出功占总输出功的96%;挖掘机实际作业环境下的油耗特征分布与工况有关,怠速工况的燃油消耗率最高,为408.65 g/(kW·h);怠速工况NO_(x)和CO基于功率的排放因子明显高于行走和作业工况,CO和NO_(x)基于功率、时间、油耗的排放因子在行走和作业工况下基本处于同一水平;冷起动工况下NO_(x)排放因子和NO_(x)排放质量均最大;基于时间加权的气态污染物比排放大于功基窗口法,NO_(x)比排放偏高约1.9倍。

基于PEMS与COPERT的机动车尾气排放特征分析

以佛山市3辆汽油车(国0小汽车、国0面包车与国Ⅳ小汽车)为研究对象,利用PEMS测试技术,研究了机动车在实际道路行驶过程中的尾气排放特征,重点分析了不同车辆类型、排放标准与行驶速度下的机动车油耗与CO、CO2、NOx排放因子,并结合COPERT模型模拟结果进行了对比分析。结果表明:(1)3辆测试车辆CO2、NOx排放与油耗曲线的走势趋于一致;2辆小汽车CO与油耗的曲线均随速度的提升而升高,而面包车CO的排放与油耗则呈现相反的现象。(2)实际测试数据中国0与国Ⅳ小汽车的CO排放因子差异较大,以国0/国Ⅳ小汽车气态物排放因子的比值为指标,实际测试数据中CO的该比值变化范围在272~600之间,而CO2与NOx分别仅为0.66~0.84与0.58~4.05。(3)对比CO与NOx,各车型COPERT模拟与PEMS实测所获的CO2排放因子结果最为接近,其模拟值/测试值之比间于0.645~1.497,故COPERT模型对于中国机动车尾气CO2排放的模拟相对较为准确。

基于PEMS的混合动力客车排放和油耗性能评价

在中国城市客车行驶工况条件下,运用车载排放测试技术(portable em ission measurement sys-tem,简称PEMS)研究了某重型混合动力客车在怠速运转时采取停机和不停机两种不同控制策略下的实际排放因子和燃油消耗率.试验研究结果表明,停机模式比不停机模式可提高该车燃油经济性4.6%,但CO排放因子却增加了53.6%;怠速不停机时,HC+NOx排放增加20.6%.同时说明对于混合动力车辆的油耗和排放,特别是排放的评价,应当采取基于整车的评价方法.

基于PEMS的MOBILE与COPERT排放模型对比研究

为研究符合我国国情的机动车尾气排放宏观模型,本文首先系统地介绍了MOBILE与COPERT模型的算法原理、特点及应用;然后描述了车载尾气检测设备(PEMS)的数据采集及分析方法,并利用车载尾气设备检测的实测数据对两模型进行了参数校正;最后从排放因子和道路等级角度将两模型输出的预测值与实测值进行了对比分析.结果表明,在测试车辆总行驶周期内以及各道路等级下,COPERT模型的NOx、HC和CO排放因子预测值较MOBILE模型的预测结果与实测值更为接近;在测试车辆总行驶周期内,前者误差比后者分别小19.2%、40.8%和22.0%.最后得出结论:在预测中国机动车尾气排放时,COPERT模型较MOBILE模型更为适用.

温度对PEM燃料电池性能的影响

目的研究质子交换膜燃料电池运行中的电池温度、两极加湿温度对电池性能的影响.方法运用质子交换膜电池单体的测试系统进行了不同工作温度、气体加湿温度对电池性能影响的测试实验.结果得到了3个温度在实验条件下,在一定范围、一定间隔内的所有数据组合.结论固定除温度外的所有操作参数条件下,电池工作温度、阴极和阳极的加湿温度对电池性能的影响顺序也是固定的;低电流工作下,电池性能不受操作温度的影响,只与其几何参数有关;电池的极化曲线中存在两个过渡区,过渡区是在一定范围内出现的.实验结果对质子交换膜燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义.

交指流场与蛇形流场PEM燃料电池性能比较

目的研究电池温度、加湿温度、气体流量对氢-空交指流场和氢-空蛇形流场PEM燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统测量了PEM燃料电池的性能,分析了电池温度、加湿温度和气体流量对两种流场PEM燃料电池性能的影响.结果在相同操作条件下,欧姆极化区蛇形流场性能优于交指流场,浓度极化区交指流场性能优于蛇形流场.结论交指流场对PEM燃料电池的流场选择具有重要的参考作用,为其推广应用提供实践依据.

PEM用于半导体器件失效缺陷检测和分析

光发射显微镜(PEM)是90年代发展起来的一种高灵敏度、高分辨率的新型缺陷定位分析技术。随着半导体器件线宽的不断下降,光发射显微镜已广泛使用于IC和分立器件中漏电、击穿、热载流子等失效点的定位和失效机理的分析。本文介绍了光发射显微镜及在半导体器件进行失效分析的机理和实际应用。

PEMS用于城市车辆实际道路气体排放测试

应用车载排放测试系统(PEMS),测试了城市车辆在实际道路上的污染物排放特征。污染物包括:CO、总碳氢化合物(THC)、NOx和PM。实验车包括:国Ⅲ、国Ⅵ柴油公交车、压缩天然气(CNG)公交车以及排量均为1.6L的国Ⅲ、国Ⅵ的出租车;进行了在冷启动和热启动,空调是否开启状态等下的实验。结果表明:实际道路上的排放明显高于实验室认证工况下的排放,在实际道路上实验车辆的气体污染物排放因子均随车速的增加而降低;与柴油车相比,CNG公交车PM排放比较低,但是其NOx和THC排放可能比较高;空调的开启导致公交车的排放明显恶化。

PEMFC氧电极的研究——助催化元素Ni和Co对Pt/C电催化剂性能的影响

通过液相共沉积技术在PEM燃料电池氧电极的Pt C电催化剂中引入了Ni和Co两种助催化元素。经氧电极极化实验证明,这种新的电催化剂提高了氧的阴极还原的催化活性。当Ni和Co含量的质量分数分别为0 8%和1%时(以碳为基准),电催化活性较佳。SEM和TEM测试结果表明,Ni、Co助催化元素的引入有利于Pt在载体碳上的分散,减小了Pt的颗粒大小。经过96h的恒流极化测试,电催化剂的活性没有明显的变化,显示稳定性良好。