面向波动可再生能源的质子交换膜电制氢系统最优压强运行

为提升质子交换膜电制氢系统在波动可再生能源输入下的制氢效率,提出面向最大效率的质子交换膜电制氢系统最优压强运行模式。介绍质子交换膜电制氢系统,提出基于压强控制的协调运行原理;对质子交换膜电制氢系统的压强特性和功率特性进行建模,从而建立面向最大效率的压强优化模型。在波动电流输入算例下检验最优压强运行模式的制氢效果,结果表明,相较于恒定压强模式,最优压强运行模式下的质子交换膜电制氢系统平均制氢能耗得到有效降低,系统性能得到明显提升。

基于功率-温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化

随着可再生能源发电及电解制氢技术的发展,基于质子交换膜(PEM)技术的可再生能源制氢将成为氢能供应的主要手段之一。新能源发电具有随机性和波动性,现有多堆PEM电解制氢系统功率分配策略难以在功率波动场景下保证系统高效运行。对此,该文首先建立了包含主要能耗环节的制氢系统整体效率模型,探究了制氢效率与电流密度、温度的特性关系。然后,根据该效率特性提出了基于功率-温度自适应控制的多堆PEM电解制氢系统效率优化策略,包含离线优化与在线控制两部分:离线优化部分根据制氢系统效率模型预先制定不同电解总功率下的电解槽功率及温度设定方案;在线控制部分根据离线优化方案、制氢功率进行电解槽功率和温度调节。最后,采用实际风电功率进行算例分析,结果表明,相比于传统的功率平均分配策略和链式分配策略,该文提出的效率优化策略将产氢量分别提高了6.4%和5.7%。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

质子交换膜电化学系统动态特性及控制策略研究进展

回顾了近年来质子交换膜(PEM)电化学系统瞬态温湿度场测量和性能评价的相关研究,以及循环启停及长期运行下的系统控制策略(包括PID、神经网络及模糊控制等)。由于PEM系统运行涉及传热传质、电化学反应等复杂过程,理论建模比较复杂;数据驱动模型能够有效结合理论模型及实验数据、且求解简单。近年来新发展的智能PID控制策略在多输入多输出系统中具有较好的抗扰性和响应速度。通过与数据驱动模型结合,被认为是准确预测PEM系统的性能和寿命、提升PEM电化学系统动态性能的有效方案。

基于GoogLeNet与迁移学习的质子交换膜燃料电池集成系统故障诊断

为准确判别质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统在动态阶跃工作电流下的故障类型,该文建立了PEMFC集成系统模型,提出一种基于GoogLeNet卷积神经网络与迁移学习的PEMFC故障诊断方法。首先,根据燃料电池运行过程的电化学反应机理与经验公式建了PEMFC集成系统模型,辅机系统包括冷却系统、空气供给系统和供氢系统。然后,搭建燃料电池测试台架,利用实验数据验证搭建的PEMFC集成系统模型,并改变模型部件参数产生特征故障图像数据集。最后,采用迁移学习将预训练模型中的权重迁移到GoogLeNet模型中,以提高分类模型的收敛速度和泛化能力。2000组故障样本诊断结果表明,PEMFC集成系统在正常、冷却系统故障、氢气饥饿、空气饥饿和水淹故障共5种运行状态下的诊断精确率分别为99.30%、100%、99.10%、100%和99.10%,综合诊断准确率达99.50%,结果证明所提方法具有较高的分类精度和鲁棒性。

百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析

依托Aspen Plus平台建立了百千瓦级质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)热电联产系统模型,该模型由燃料处理单元、热回收单元与PEMFC单元构成。燃料处理单元关键设备模型依据反应动力学参数搭建,PEMFC电堆采用Aspen Custom Modeler自定义模型。验证了关键设备模型的准确性,并分析了稳态条件下设备运行参数对系统性能的影响,结果表明:在以电定热运行模式下,可适当减少燃烧天然气进料或者降低重整原料水碳比,以提高系统的电效率与㶲效率。此外,可调节变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)至PEMFC管路阀门,增大电堆阳极进气压力以提高发电量,但不建议增大电堆阴极进气压力,这会导致系统辅助设备耗电量上升、净电效率下降。以热定电时,可采取相反的调节方式,降低燃烧烟气与PEMFC尾气的排放温度,提高系统热效率。研究结果可为调整PEMFC热电联产系统工作参数以实现热电输出合理配比提供参考。

基于系统优化的质子交换膜燃料电池建模研究综述

为了分析燃料电池系统输出特性,结合大量参考文献对质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆层级的建模进行综述,梳理了有关质子交换膜燃料电池电堆及系统层级的建模研究现状,总结归纳建模方法和建模目的,阐述了系统建模存在的局限性及发展趋势,对优化PEMFC系统控制策略和输出性能、加快PEMFC工程化运用进程有借鉴意义。

质子交换膜电解水制氢技术发展现状及展望

电解水制氢技术已成为绿氢制取的重要方法,其中最具发展潜力的是质子交换膜(PEM)电解水制氢技术。其结构紧凑,占地面积小,电解效率高,能在高压条件下获得高纯度氢气,更为重要的是,质子交换膜电解槽与间歇性的风光可再生波动电源具有良好的适配性,因而成为行业关注的焦点。目前PEM电解水制氢已进入发展的快车道,国外PEM制氢技术市场应用占比超过50%,国内多项PEM制氢项目已开工投产。近年来我国在材料、组件、系统集成方面均取得了实质性进展,但在关键性技术、效率寿命提升、经济性方面与国际先进水平仍存在一定差距。能耗较高、寿命不足、成本居高不下仍是大规模商业化应用的主要制约因素。大规模、大功率、高压差是PEM制氢系统未来发展的方向,需要结合实际工况,在衰减机制、基础技术、创新性材料开发和低成本组件方面取得突破。提升电流密度,提升不同输入特性下PEM电解槽的寿命,减少贵金属用量、加快非贵金属替代技术研究以进一步降低成本。

质子交换膜电解池进水温度与流速参数分析及系统能效预测

操作参数的变化对质子交换膜(PEM)电解池的系统能效和耐用性产生重大影响。基于多物理场电热耦合模型,对进水温度和进水流速进行了参数分析,研究了它们对电解池性能的影响。研究表明,提高进水温度能够显著改善电解池的电流密度,进而提高电解制氢效率。然而,这也使得电解池内部的温度可能升至超过膜的热降解临界温度(80℃)。另一方面,提高进水流速加强了电解池内部的热交换,使温度分布更加均匀,避免了电解池尾部局部热点的形成。但提升温度和流速也增加了电解系统中泵和散热器的功耗,对系统能效产生了不利影响。采用机器学习的方法,将多物理场仿真与人工神经网络(ANN)相结合,利用仿真模型的电热特性数据并加入系统能效计算,建立代理模型对其质子膜上最高温度与电解系统能效进行快速预测,以便电解池系统实际运行中可以及时调整进口参数。其中,模型预测的均方根误差仅有0.106%,确保了预测精度,并大大提高了仿真效率。因此,对不同进口参数下电解池的系统能效预测提供了重要的参考依据。

新材料可延长质子交换膜电解槽制氢寿命

据报道,海南大学海洋科学与工程学院教授康振烨、田新龙团队制备出超细铱钌纳米线材料。该成果为设计高效质子交换膜电解水(PEMWE)催化剂提供了一种新的可行方法。相关成果近日发表于国际期刊《先进功能材料》。质子交换膜电解水具有能量转换率高、产物氢气纯度高等优点,是一种前景广阔的制氢技术。但由于阳极析氧反应(OER)的高电位和强酸性环境使催化剂产生腐蚀性,致使电解槽长期运行面临被腐蚀风险。

基于电-热特性的质子交换膜电解槽模型研究进展

“电-氢”转换为能源领域低碳转型提供了一种新型、绿色、高效的解决方案,质子交换膜电解槽因具备产氢纯度高、制氢效率优、高度集成化以及与波动性电源耦合程度好等优点而备受关注,模型构建是对其机理研究、特性分析、系统运行控制模拟的重要手段。基于质子交换膜电解槽电化学特性和热传输特性,对国内外已有的质子交换膜电解槽电化学模型和热传输模型建模方法进行综述,并简要分析多物理场耦合模型研究进展,对未来质子交换膜电解槽建模研究发展方向进行展望。

基于碱性电解槽和质子交换膜电解槽协同制氢的风光互补制氢系统优化

工程应用中碱性电解槽(AEL)和质子交换膜电解槽(PEMEL)在制氢效率和经济性上各有优劣。对此,提出AEL和PEMEL协同的复合电解槽制氢方案。利用网络层次分析法确定2类电解槽的最优容量比,将复合电解槽应用在风光互补制氢系统中,对单一AEL制氢、单一PEMEL制氢、复合电解槽制氢3种方案的多项指标进行对比分析。结果表明:在相同容量下,复合电解槽制氢设备成本是单一PEMEL制氢设备成本的52.26%,制氢量可达单一PEMEL制氢量的97.69%,比单一AEL制氢量多46.13%,显著优化了系统的经济性和制氢效率,验证了所提复合电解槽协同制氢方案的有效性。

质子交换膜燃料电池在线监测方法研究进展

质子交换膜燃料电池作为一种高效、无污染的新一代发电技术在近年来得到广泛关注,但是其寿命问题依然严重制约其商业应用。通过对燃料电池状态进行在线监测来实现电池的快速故障诊断,是延长电池寿命的极有效的途径之一。本文对近年来质子交换膜燃料电池在线监测方向的文章进行了总结,并按照故障检测方法(包括极化曲线、循环伏安法、电化学阻抗谱等)进行分类讨论。同时,根据实际应用情况将单一检测方法和多种结合检测方法进行文献综述。另外,在总结现有的在线监测方法的基础上,本文提出了未来燃料电池在线监测需要解决的问题并进行展望。

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。

质子交换膜燃料电池核心部件分析

对质子交换膜燃料电池工作原理、结构进行分析,重点对质子交换膜燃料电池的双极板、质子交换膜、电催化剂、膜电极关键部件进行分析研究,质子交换膜燃料电池生产成本高是影响商业化普及的重要原因,未来随着质子交换膜燃料电池技术的进步,生产成本将大幅度降低,有望在汽车产业得到广泛应用。

Fe/N/C材料在质子交换膜燃料电池中阴极催化剂的研究进展

从ORR反应的机理出发,结合Fe/N/C材料的制备方式,从活性位点角度分析了Fe/N/C材料高效氧还原电催化的机制,并针对在高性能Fe/N/C材料开发过程中存在的各种稳定性问题进行阐述。对于Fe/N/C催化剂在燃料电池中的应用前景提出建议和展望,为今后Fe/N/C材料的发展提供了参考。

基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷却系统模型精度且能够方便有效地对其实现控制,提出基于Simulink/Simscape构建膨胀水箱、冷却液循环泵、散热器等关键冷却系统模块,对燃料电池冷却系统进行物理建模仿真;水冷型燃料电池电堆的温度与冷却液出入堆温差主要受散热器的空气流量与循环水的流量影响,针对空气流量与循环水流量存在强耦合关系,提出了冷却液流量跟随电流控制,线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略,实现了散热风扇和循环水泵控制的解耦;为保证控制策略的有效性,减少整定参数的工作量,提出了精英遗传算法优化ADRC(自抗扰控制)参数的方法,优化后的控制策略应对输入有扰动时,系统的最大超调量仅有1.23%且能在30 s内再次达到稳定,因此能够对燃料电池电堆温度实现有效控制。仿真结果表明通过优化后的控制策略在无干扰或有白噪声干扰的阶跃负载电流影响下,都能够对电堆温度与冷却液温差实现有效控制,具有很强的鲁棒性与抗干扰能力。

质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究

目前,质子交换膜燃料电池(PEMFC)反极研究主要通过单电池完成,反极过程没有考虑相邻电池的影响,与电堆实际情况并不完全相同.本文通过控制加湿度和过量系数等测试条件分析了5片PEMFC电堆阳极在水淹和缺气情况下的饥饿反极情况.结果表明,在电堆阳极水淹情况下,反极单电池电压表现为缓慢下降到电解水平台然后迅速恢复的循环过程,性能恢复归因于水淹单电池阳极进出口压差上升使其液态水排出而氢气重新进入;在电堆阳极缺气情况下,反极单电池电压表现为迅速降低到碳腐蚀平台然后迅速恢复的循环过程,这是由于缺气单电池的阳极进出口压差下降使电堆内氢气重新分配.缺气反极电池电压会降低到碳腐蚀平台,因此会对电池性能造成不可逆的损害.

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。

高差压质子交换膜水电解制氢系统设计及性能实验

研制了制氢量为0.3 Nm^(3)/h,输出压力为3.0 MPa的差压PEM(质子交换膜)水电解制氢装备,并测试分析了装置的电化学、气体纯度和水电解过程中质子膜内水分迁移等方面的性能。结果表明:装置在压力3.0 MPa、温度45℃、电流密度1 A/cm^(2)工况下,小室平均电压为1.843 V,氧中氢体积分数浓度为14 500×10^(-6),排水与氢气物质的量之比为4左右。结论:电池堆电化学特性及氢气安全性均满足设计要求,提升电堆极板的表面状况和导电性能将提高电堆整体能效。阴极出水低压释氢以及原位催化除氢,是降低氧中氢浓度、保障安全的有效途径。差压下水分传输系数与电流密度成正比关系,而等压下成反比关系,且差压下的值小于等压的值。