Daily Operation Optimization of a Residential Molten Carbonate Fuel Cell Power System Using Genetic Algorithm

To decrease the cost of electricity generation of a residential molten carbonate fuel cell （MCFC） power system, multi-crossover genetic algorithm （MCGA）, which is based on ＂multi-crossover＂ and ＂usefulness-based selection rule＂, is presented to minimize the daily fuel consumption of an experimental 10kW MCFC power system for residential application. Under the operating conditions obtained by MCGA, the operation constraints are satisfied and fuel consumption is minimized. Simulation and experimental results indicate that MCGA is efficient for the operation optimization of MCFC power systems.

Dynamic Performance of Fuel Cell Power Module for Mobility Applications

Fuel cell powered vehicles have been developed as another alternative to internal combustion engine powered vehicles for some applications including passenger cars, buses, trains, motorcycles, forklifts, electric wheelchairs, electric trolleybuses, medical carts, military engines, personal sports craft, mobility devices and other self propelled equipment. Up to now, many researches have focused on the development of the power module in the Fuel cell vehicles (FCVs) and the components of these systems such as membranes, bipolar plates, and electrodes. However, our work in this study focuses on operating the integrated fuel cell power module system efficiently for various operating conditions such as pressure, relative humidity and operating modes. In our validation we have utilized PEMFC single cell, with active area geometry 16 cm2 and of 120 cm2. Some results obtained in our study shown significant performance indicators for PEMFC stack (composed of 2 cells and 4 cells in a series) at different humidification levels.

Electrochemical Properties of Electrodes with Different Shapes and Diffusion Kinetic Analysis of Microbial Fuel Cells on Ocean Floor

Microbial fuel cell(MFC) on the ocean floor is a kind of novel energy-harvesting device that can be developed to drive small instruments to work continuously.The shape of electrode has a great effect on the performance of the MFC.In this paper,several shapes of electrode and cell structure were designed,and their performance in MFC were compared in pairs:Mesh(cell-1) vs.flat plate(cell-2),branch(cell-3) vs.cylinder(cell-4),and forest(cell-5) vs.disk(cell-6) FC.Our results showed that the maximum power densities were 16.50,14.20,19.30,15.00,14.64,and 9.95 mWm-2 for cell-1,2,3,4,5 and 6 respectively.And the corre-sponding diffusion-limited currents were 7.16,2.80,18.86,10.50,18.00,and 6.900 mA.The mesh and branch anodes showed higher power densities and much higher diffusion-limited currents than the flat plate and the cylinder anodes respectively due to the low diffusion hindrance with the former anodes.The forest cathode improved by 47% of the power density and by 161% of diffusion-limited current than the disk cathode due to the former's extended solid/liquid/gas three-phase boundary.These results indicated that the shape of electrode is a major parameter that determining the diffusion-limited current of an MFC,and the differences in the elec-trode shape lead to the differences in cell performance.These results would be useful for MFC structure design in practical applica-tions.

Process modeling of fuel cell vehicle power system

Constructed here is a mathematic model of PEM Fuel Cell Vehicle Power System which is composed of fuel supply model, fuel cell stack model and water-heat management model. The model was developed by Matlab/Simulink to evaluate how the major operating variables affect the output performances. It shows that the constructed model can represent characteristics of the power system closely by com-paring modeling results with experimental data, and it can be used in the study and design of fuel cell vehicle power system.

燃料电池增程式动力系统能量管理策略研究

以某款纯电动客车为研究对象,以增加车辆续驶里程为目的,提出燃料电池增程式混合动力系统结构,根据性能指标对动力系统各部件进行匹配计算和选型.提出了开关/功率跟随式能量管理策略,基于Cruise和Simulink分别搭建了整车动力系统模型和燃料电池及能量管理策略模型并进行联合仿真.结果表明,采用文中提出的能量管理策略车辆经济性相对于开关式和能量跟随式两种控制策略分别提高62%和31%,续驶里程相对于该两种控制策略分别提高41%和18%.

燃料电池船舶混合动力系统能量管理研究综述

在“双碳”目标下,发展燃料电池船舶是实现航运业转型升级和低碳化的重要发展方向之一。面对当前燃料电池上船的诸多问题,混合动力系统成为燃料电池船舶应用的有效解决方案,其能量管理的研究也成为核心研究方向之一。系统梳理燃料电池船舶的发展概况,针对燃料电池船舶多类型能源能量管理中涉及的能量调度问题以及变换器功率分配问题进行综述;分析各类方法的优缺点及其在实船上应用的可能性;探讨燃料电池船舶推广可行性和发展方向,以期能为技术创新和工程应用提供参考。

基于模型预测框架的燃料电池汽车混合动力系统能量管理

混合动力系统作为燃料电池汽车的关键组成部分,系统的能耗与寿命优化是推动其进一步商业化发展的关键,而能量管理策略(EMS)在提高燃料电池汽车混合动力系统的效率和燃料经济性方面发挥着重要作用。为有效降低混合动力系统的内部损耗,进一步提高系统经济性,提出了一种基于模型预测框架的混合动力系统能耗优化能量管理控制方法。首先构建包含动力系统内部损耗与氢气消耗的目标函数,然后利用模型预测架构求解目标函数来控制燃料电池的输出电流,以实现合理的能量分配,最后在Matlab中进行仿真,验证所制定方法的合理性和有效性。与应用较为广泛的等效氢耗最小策略(ECMS)相比,结果表明所提方法可以显著降低动力系统的内部损耗和氢气消耗。此外,该策略还可以有效保持蓄电池的荷电状态(SOC),延长动力系统的使用寿命。

含整体煤气化燃料电池-碳捕集电厂的风火储系统分布鲁棒调度方法

整体煤气化燃料电池(integrated gasification fuel cell,IGFC)是与碳捕集技术高度适配的清洁、高效、稳定的绿色煤电技术,有望克服传统碳捕集技术在低浓度CO_(2)环境下产生的高成本、高能耗问题。该文构建含IGFC碳捕集电厂的风火储发电系统。研究IGFC碳捕集电厂的运行机理,对IGFC内部各环节建立数学模型,提出工况匹配时燃烧利用率和阴极空气利用率需要满足的运行条件,并针对该型碳捕集电厂的电碳特性进行分析。为计及风电出力的不确定性,构建风火储系统的两阶段分布鲁棒经济调度模型,引入k阶适应性理论,提出基于正交支撑子集策略的求解方法来获得鲁棒对等式。最后,在改进IEEE-30节点系统中进行算例分析,结果表明,该型碳捕集电厂可利用阳极碳富集的优势,实现系统低碳经济调度的目标,并验证所提优化方法能为可行解提供可解释性。

功率分配方式对船用双堆燃料电池热管理效果分析

为研究船用双堆质子交换膜燃料电池(PEMFC)功率分配方式、热管理系统布置形式对热管理系统性能影响,基于AMESim软件建立了船用双堆PEMFC系统仿真模型,根据试验数据验证了仿真模型的可靠性。在此基础上,以串联式、并联式与旁通式热管理系统模型为研究对象,研究在变载工况下采用功率平均分配、逐级分配策略对电堆进出口冷却水温差的影响规律,最后比较在功率平均分配策略下3种热管理系统布置形式的性能。结果表明,3种热管理系统中电堆进出口冷却水温差均会在不同程度上受到功率分配策略的影响,在功率平均分配策略下,采用串联式热管理系统布置形式更有利于提高电堆内部温度一致性。

考虑电堆性能一致性的燃料电池混合动力系统多目标优化能量管理方法

为优化燃料电池混合动力系统(fuel cell hybrid power system,FCHPS)并延长其使用寿命,该文提出一种考虑电堆性能一致性的多目标优化能量管理方法。该方法的目的是降低系统等效氢耗、提高燃料电池系统内电堆组运行效率的同时限制锂电池荷电状态(state of charge,SOC)波动。由于电堆组的性能会在实际运行过程中发生退化,因此该方法还考虑了电堆组的性能状态差异,通过限制性能较差电堆的运行压力,以延长系统寿命。为实现这一目的采用樽海鞘群算法(salpswarmalgorithm,SSA)对目标函数进行优化求解,得到系统最优功率分配。最后,基于RT-LAB半实物仿真平台,将所提方法与有限状态机控制方法进行对比,实验结果表明所提出的方法能够有效降低系统氢耗,提高电堆组效率的同时减缓性能较差电堆的功率波动,维持系统一致性,有利于系统长期稳定运行。

大功率氢燃料电池动力系统节能优化策略研究

燃料电池汽车动力系统温度与氢气消耗量均为评价其性能的重要指标,为提升大功率燃料电池动力系统热量控制效率和燃料经济性,通过构建大功率氢燃料电池动力系统模型,分析冷却系统等辅助部件能耗,在保证温度控制的基础上设计基于模糊逻辑控制的功率分配策略,提出以总氢耗最小为目标的热量与功率协同优化控制方法。结合115 kW燃料电池卡车整车参数,在Matlab/Simulink平台下进行控制策略及其优化策略的仿真分析,研究结果表明,相较于功率跟随控制策略,采用协同优化控制策略的百公里等效氢耗分别降低了8.04%和9.9%,证实了该策略在节能优化方面的有效性。

基于底栖型微生物燃料电池的水下供电系统构建与产能评价

目的改善目前水下生物供电系统能量收集效率低、供电能力弱的问题,方法构建基于碳毡阵列阳极的水下生物电池单元,以及具有2级电荷泵复合升压结构的电源管理单元。将2个子单元耦合,构建水下生物供电系统样机,并对其供电能力进行评价。结果测试结果表明,电源管理单元能够将生物电池13~18 mW的持续输入能量有效收集至储存介质中,能量收集效率达到60.65%。生物电池单元产生的能量在满足温度/pH传感器以及水下通讯机工作的同时,每天仍能够产生385.68 J的净能量收益。结论构建的水下生物供电系统能够实现水下生物电能的高效收集与存储,可为海洋环境信息采集与传输系统提供长期、稳定的原位能源供应。

燃料电池重卡动力系统参数匹配与能量管理策略仿真分析

为提高燃料电池重卡综合性能,首先确定了其动力系统构型方案,依据整车动力性与经济性要求对驱动电机、燃料电池以及动力电池进行部件选型和参数匹配,利用AVL Cruise软件搭建了整车物理模型。制定了一种基于模糊控制方法的能量管理策略,并在MATLAB/Simulink环境下建立模糊控制能量管理策略模型。通过MATLAB DLL方式实现了能量管理策略模型与整车物理模型的联合仿真。仿真结果表明所提出的整车动力系统设计方案和能量管理策略能够满足整车动力性并有效地提高了整车的燃料经济性。

基于改进型等效氢耗的车用燃料电池混合动力系统能量管理方法研究

[目的]等效氢耗作为一种针对燃料经济性优化的方法,其在储能系统荷电状态跟随方面表现欠佳,故需对其进行改进以实现区间荷电状态的动态平衡。[方法]在传统等效氢耗算法基础上,对系统的氢耗函数进行了优化;通过加入电压平衡系数,以确保超级电容在车辆运行过程中不会出现过充或过放的情况,进而通过极小值求解,实现了对系统功率的实时分配。[结果及结论]基于数轨电车的运行数据,对所提出的方法在半实物仿真平台上进行了验证。实验结果表明,所提出的改进型等效氢耗算法能够实现复杂工况下的混合动力系统能量分配,所加入的电压平衡系数能够保证车辆区间末端超级电容的电压在合理的区间内。

燃料串/并联的航空SOFC-GT混合系统性能对比分析

固体氧化物燃料电池-涡轮(SOFC-GT)混合系统作为电推进飞机的动力源时,会面临低温低压的大气环境以及对重量有严苛的要求,因此通过优化系统构型使得该混合系统满足航空应用是一种有效的解决方式。为此本文提出了燃料并联和串联的两种SOFC-GT混合系统构型,并从热力循环理论、系统热力学性能以及系统功重比等方面依次对其进行了对比分析。结果表明,并联系统的热力学性能要优于串联系统,对于系统发电效率、比功和功重比分别提高3.32%,113.14%和34.04%,CO_(2)排放率降低3.22%。随压比的提升串联系统的效率存在最优点,随燃烧室温度的提升并联系统的效率持续下降。在空燃比为4~6的变化范围内,串联系统的输出功率变化幅度更大,相对并联系统为116.29%~87.11%。除此之外,虽然SOFC-GT混合系统的功重比相对较低,但基于其优异的效率,在系统能量密度方面整体要优于锂电池,这有利于提升电推进飞机的性能。

基于最优功耗的燃料电池/超级电容混合动力系统能量管理方法研究

[目的]随着科技发展与我国“双碳”进程的稳步推进,氢能在城市交通中的应用也日益增加;为降低数轨电车用燃料电池/超级电容混合动力系统整体能耗,提出了一种基于最优功耗的能量管理方法。[方法]以数轨电车在不同运行状态下的功耗分布为基础,通过拟合近似的方式,并结合燃料电池系统与超级电容系统的功耗模型,联合构建了混合动力系统的瞬时功耗函数;通过对功耗函数的寻优与求解,得到燃料电池系统的最佳输出功率;基于半实物仿真平台及数轨电车的实际运行数据,验证了所提方法的在线控制能力。[结果及结论]燃料电池系统在所提方法的控制下,在复杂工况下保持了较为稳定的输出功率,且平均电氢转化效率达54.84%,这能够有效降低数轨电车的运维成本。

空间氢氧燃料电池技术发展现状与趋势分析

针对空间应用场景下的能源需求,对空间氢氧燃料电池技术现状和发展趋势进行分析,总结国内外在空间氢氧燃料电池发电技术的发展趋势,面向利用液氢液氧推进剂的一次燃料电池以及月面可再生电池应用场景,对多种空间电源技术方案进行对比,发现空间氢氧燃料电池在运载火箭上面级推进剂利用、月面探测能源系统、月球原位资源利用、长时间月面驻留等应用场景具有较高潜力。通过分析空间应用场景下氢氧燃料电池电源系统特点,对未来空间氢氧燃料电池技术发展趋势,空间氢氧燃料电池技术发展方向提出展望。

基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统性能分析

为了实现航空碳减排的时代需求,亟需在航空燃料体系和航空动力系统方向实现技术革新。本文提出了基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统方案,甲醇通过机载在线催化重整制氢为燃料电池供氢,燃料电池和内燃机发出的电能带动电动螺旋桨进行工作。进行了模块化建模方法和混合动力系统性能仿真分析研究,结果表明:混合动力系统的发电效率达到了55%,相比甲醇内燃机有了15%绝对值的效率提升,有助于降低燃料消耗。进行了混合动力系统性能参数影响规律分析,结果表明:混合动力系统的效率随着压比的增大而提高,随着燃料利用率的提高而呈现先升高后降低的效果。进行了混合动力系统的?分析,结果显示:混合动力系统中?效率最高的部件是燃料电池,?损最大的部件是重整器。质量分析结果表明:混合动力系统的功率密度达到0.488 kW/kg。

考虑燃料电池和电解槽虚拟惯量支撑的电力系统优化调度方法

质子交换膜(PEM)燃料电池和电解槽可向系统提供虚拟惯量支撑,提高系统频率稳定水平。针对目前缺乏相关模型及调度方法的现状,提出考虑氢能系统虚拟惯量支撑的电力系统优化调度方法。基于虚拟同步机技术,构建PEM燃料电池和电解槽的虚拟惯量响应模型,提出考虑多工况运行模式的燃料电池和电解槽的虚拟惯量评估模型。构建计及氢能系统虚拟惯量和频率支撑的电力系统频率安全约束模型。针对含氢能的电力系统,提出考虑频率安全约束的日前优化调度模型及求解方法。基于改进的IEEE 118节点标准测试系统进行仿真分析,结果表明,所提方法能够有效量化PEM燃料电池和电解槽的虚拟惯量水平,充分发挥其惯量及频率支撑作用,有效降低频率变化率和最大频率偏差。

质子交换膜燃料电池性能优化控制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的热管理,是影响PEMFC安全、稳定、高效运行的核心关键因素。该文在分析PEMFC热管理子系统的结构,以及关键组成部件(包括空气压缩机、冷却液循环泵和冷却风扇)的工作原理基础上,首先搭建耦合热管理子系统的PEMFC非线性仿真模型,进一步将其简化处理得到用于控制的线性模型;在此基础上,设计基于卡尔曼滤波的状态观测器,以实现对状态和不可测量扰动的估计,从而消除模型稳态误差;随后设计目标计算器,以净输出功率跟踪误差最小化和系统效率最大化为目标,对PEMFC系统工作状态进行优化;进而基于线性控制模型,设计无偏显式模型预测控制(offset-free explicit model predictive control,offset-free EMPC),对优化工作状态进行跟踪控制;最后,搭建一个软件在环(softwareintheloop,Si L)测试平台,通过与传统MPC控制策略的仿真结果对比可得,无偏EMPC控制策略可以显著将净输出功率的平均跟踪误差绝对值从344.29W减小到82.19W,系统效率从40.32%提升到46.56%,算法平均单步计算耗时从26ms降低到11.8ms,并且可以约束PEMFC系统运行在稳定和安全的工况。