Adaptive inverse control of air supply flow for proton exchange membrane fuel cell systems

To prevent the oxygen starvation and improve the system output performance, an adaptive inverse control （AIC） strategy is developed to regulate the air supply flow of a proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） system in this paper. The PEMFC stack and the air supply system including a compressor and a supply manifold are modeled for the purpose of performance analysis and controller design. A recurrent fuzzy neural network （RFNN） is utilized to identify the inverse model of the controlled system and generates a suitable control input during the abrupt step change of external disturbances. Compared with the PI controller, numerical simulations are performed to validate the effectiveness and advantages of the proposed AIC strategy.

燃料电池涡电复合空压机系统建模与调控研究

配备具有排气能量回收功能的涡电复合空压机是大功率燃料电池空气管理系统的发展趋势,但涡电复合空压机在非设计工况下存在压比低、能量回收率低、设计需求工况无法满足等问题。以某款大功率燃料电池系统为研究对象,根据电堆进排气参数完成了涡轮膨胀机和空压机的3维气动设计,建立了包含燃料电池电堆与涡电复合空压机的电化学—流动传热耦合模型,搭建了涡电复合空压机实验台架,测试空压机与涡轮性能曲线,通过电堆、空压机与涡轮试验数据验证了该模型的准确性。基于该模型进一步研究涡轮流量特性、阀门调节方法对全工况系统排气能量回收率、电机功耗和阀门理论功率消耗的影响规律,分析了有无涡轮配置对燃料电池系统净输出功率的影响。结果表明,在中小负载工况下,涡轮流量系数每降低0.1,排气能量回收率提高5.26个百分点,但过小的流量系数导致设计点工况下电堆压力过高,需增加旁通阀泄压,导致系统过于复杂、排气能量损失大,选择涡轮流量系数为1时可获得较优的全工况能量回收率。此外,阀门前置方案优于后置方案,在非设计工况下阀门前置可使能量回收率提高6.25%。结合涡轮流量系数为1和阀门前置的方案,在设计流量点和50%设计流量点下,涡电复合空压机排气能量回收率分别为33.07%和27.31%。

燃料电池空压机气磁悬浮系统的协同控制研究

针对燃料电池空压机目前存在的驱动和支承问题,提出一种箔片动压轴承和动力磁轴承一体化的气磁悬浮型空压机。基于空压机的结构组成,建立空压机磁悬浮支承力、气悬浮支承力以及空压机转子动力学数学模型;基于燃料电池空压机转子系统动力学模型的状态空间方程,设计抗干扰强的协同控制器,并对它进行了转速、驱动转矩、转子悬浮位移以及电磁调节力等关键物理量的仿真分析。结果表明:协同控制在响应、抗干扰以及鲁棒性方面的控制优于PID控制。基于协同控制和PID控制建立了控制实验平台,并对空压机转子的气磁悬浮进行分析,进一步验证了协同控制具有优良的控制效果和良好的控制性能。

燃料电池用离心式空压机抗性消声器设计及其消声效果分析

基于计算流体力学耦合计算气动声学的方法,在不同空压机运行工况下分析了穿孔消声器的降噪效果,量化了消声器内的热声转化关系。结果表明,穿孔消声器的空腔厚度和穿孔率对高频组分声波的吸消声起着决定性作用。与低频声波相比,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果更好;随转速的增加,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果逐渐增强,而对低频组分声波的消声效果几乎无变化。对穿孔消声器内的热声转化分析表明,低转速运行工况下,消声器消声前后声振荡能量几乎全部转化为工质可用能,而在中高转速运行工况下,声振荡衰减的能量转化为工质可用能的比例较小。为设计出可以在宽运行工况下实现宽频降噪的消声器,高转速运行工况下低频组分声波的消声应该作为重点优化的目标,同时也要考虑低转速运行工况下消声器消声前后的热力学性能的改善。为降低离心式空压机的气动噪声提供了一种新的方法,为设计宽工况适应性的高效空压机消声器提供了理论基础。

压缩机技术在氢能领域的应用

鉴于我国目前的能源结构形式,针对氢能的发展、压缩机在氢能领域的应用进行概述,主要介绍氢液化用氦气螺杆式压缩机、工艺流程用氢气输送压缩机、加氢站用隔膜压缩机、燃料电池空气压缩机等氢能工艺流程中的压缩装备,并分析氢燃料电池技术应用于家用和商用分布式发电的发展前景。

离心压缩机气体箔片轴承-转子系统设计与试验

氢燃料电池汽车离心空压机采用气体箔片轴承-转子系统,具有超高转速、清洁无油的运行等显著优势。然而,当前气体箔片轴承-转子系统的全面研发设计理论严重匮乏亟待解决。为此,提出了一种气体箔片轴承-转子系统的研发设计方案。基于经验公式和性能试验台,开展了氢燃料电池汽车离心空压机中气体箔片轴承-转子系统的设计与试验研究。结果表明:该设计方案可以有效保证空压机在全转速范围内的性能要求,其最大转速可达90000 r/min,最大压比和质量流量分别为3.53和0.156 kg/s。

燃料电池发动机用空压机关键指标分析及试验研究

空压机作为燃料电池空气供应系统的核心部件,其响应时间、油蒸气含量和耐振性对燃料电池系统的动态变载、使用寿命以及运行可靠性具有重要影响。以某款气浮轴承离心式空压机为研究对象,制定了详细的试验方法,旨在深入研究这三个关键性能指标。结果表明:在响应时间方面,随着节气门开度的减小,压比增大,排气阻力增加,导致空压机启动响应和动态变载响应时间相应增加,不同背压条件对空压机的响应时间具有较大影响。在油蒸气含量方面,提出并实现了一种可操作性强、高效便捷的测试方法,试验表明:不同的气体介质导致含油量测试结果存在差异,因此在考虑空压机“无油指标”时需慎重考虑大气介质中的含油量。在机械负荷方面,致力于为燃料电池发动机用空压机运行可靠性和稳定性提供有效的振动冲击试验方法,结合空压机实际应用工况,开展了非运行、怠速和额定工况下的随机振动试验和非带载机械冲击试验,并对机械完整性、绝缘电阻性和输出性能进行综合评估,结果显示振动冲击试验未对空压机性能产生不利影响。

25 kW氢燃料电池系统用空压机转子运行稳定性分析

为满足氢燃料电池系统对高速稳定空压机的需求,使用软件仿真和实验结合分析的方法,对搭载了动压空气轴承的25 kW氢燃料电池系统用空压机转子系统进行稳定性分析。首先使用Creo建模软件建立了空压机转子系统动力学模型;再使用Ansys-Workbench有限元软件进行仿真计算,探究了空气轴承支撑刚度以及轴承跨距对临界转速的影响;然后使用流固耦合法计算了径向轴承气膜表面压力与温度分布、平箔片变形程度和轴承承载力;最后在空压机性能测试实验台架上,测试了空压机额定转速下转子的振幅、轴心轨迹和转子振动情况,并进行了15万次启停实验与交变载荷实验和2000 h高负载耐久实验。结果表明:在额定转速100000 r/min时,转子系统轴心振幅为13.1μm,整机振动加速度最大为17.64 m/s^(2),未出现异常振动现象;启停实验过程中温度维持在30~34℃,交变负载实验过程中温度维持在66~68℃,高负载实验过程中温度维持在94~96℃,3项耐久试验结束后轴承、叶轮未出现明显磨损,表现出良好的动态稳定性。

基于重型商用车应用的燃料电池空压机产业技术发展趋势分析

空压机对燃料电池系统的性能和成本均影响重大。本文对燃料电池空压机的技术路线发展、离心式空压机行业竞争趋势进行了分析,剖析了基于重型商用车应用的燃料电池空压机产业技术发展趋势。结果表明,大流量、低转动惯量、大驱动电机功率及带膨胀机的离心式空压机是未来的发展方向;其市场集中度将呈现“分散→集中→分散→集中”的发展规律。

燃料电池汽车用离心式空压机发展现状及趋势

空压机是燃料电池发动机空气供应系统的重要组成部分,它通过对空气增压来满足燃料电池堆对高压比、大流量空气的需求,其性能直接影响着燃料电池发动机的输出性能和效率。离心式空压机以其体积小、效率高、响应快的优势以及企业关键技术的日趋成熟,逐渐成行业主流技术路线,是当前车载燃料电池系统集成应用的首选。针对当前行业燃料电池用空压机快速技术的发展现状,本文通过对比行业主要离心式空压机的性能和参数对空压机的技术发展和趋势进行了简要分析。

采用离心式空压机的燃料电池系统性能仿真研究

建立了燃料电池系统CFD仿真平台,应用该平台对一种采用离心式空压机的燃料电池系统性能进行了仿真研究,并与国内目前采用旋涡式空压机的燃料电池系统性能进行了比较分析。结果表明:采用离心式空压机的燃料电池系统运行范围能够达到常用系统运行范围,且系统效率更高,空气加湿性能更好。

PEM燃料电池用空压机多参数多目标优化

为获得适用于燃料电池汽车的高压比、小体积、高效率离心空压机,将均匀设计法、神经网络模型、多目标遗传算法同三维数值模拟相结合,提出了一种离心空压机多目标优化方法。以静压比和效率为优化目标,在额定工况下,对燃料电池高速离心空压机叶轮结构进行优化设计。通过台架实验对三维仿真模型的精确度进行验证,并对优化后的叶轮进行了三维仿真分析。仿真结果表明,优化后叶轮的流动性能得到改善,等熵效率和静压比分别提高4.3%和3.2%,叶轮出口速度更加均匀,验证了该离心空压机多目标优化方法的有效性。

燃料电池车用超高速空压机临界转速分析与提高措施

针对空压机进气增压可提高大功率燃料电池发动机性能和功率密度,但空压机超高速电机转子-轴承系统存在共振失稳乃至断轴的实际工程问题.本文采用有限元法建立空压机高速电机轴承-转子系统动力学模型,基于ANSYS软件对某超高速永磁电机转子进行动力学仿真,分析某燃料电池空压机高速电机转子-轴承系统的临界转速,揭示轴承刚度、轴承位置以及转轴质量等因素对临界转速的影响规律,并提出改善措施.结果显示,增大轴承刚度、适当减小轴承跨距以及减轻转轴的质量可以有效地增加转子轴承系统的临界转速.

燃料电池车用离心压缩机窄带啸叫噪声实验测试与分析

以某燃料电池车用离心压缩机为研究对象,测试并分析其在不同工况下的气动性能及气动噪声。试验结果表明:当离心压缩机工作在高效率的额定工况区时,进口处气动噪声最小,总声压级峰值出现在轻度喘振线附近;额定工况和阻塞工况的主要噪声源为旋转基频噪声;轻度喘振工况的主要噪声源为窄带啸叫噪声,其频率约为转频的3.9倍;深度喘振工况时550~2 000 Hz的宽频噪声明显上升;叶片通过频率噪声与流量无明显关系,且对总体噪声贡献量不大。应用商业软件CFX对轻度喘振工况下离心压缩机窄带啸叫噪声的产生机理进行分析。仿真结果表明:当离心压缩机流量低于额定流量时,进口冲角增大,导致主叶片、分流叶片前缘及扩压器内靠近轮罩面出现严重的二次流,叶片前缘和扩压器的同时失速是造成轻度喘振工况下窄带啸叫噪声的主要原因。

基于空调压缩机支架改进的燃料电池轿车降噪

研究了空调压缩机独立运行工况下燃料电池轿车的声振特性,并对空调压缩机支架进行模态计算。分析表明,支架因在压缩机振动的工作频率附近存在低阶固有频率发生共振,进而造成车身板件振动并向车内辐射噪声,是空压机向车内传递噪声的主要途径。使用增强材料提高了压缩机支架的整体刚度,有效避免了支架的共振,降低了车内噪声2 dB以上,改善了车内外声品质。

燃料电池用无油润滑涡旋压缩机研究

根据燃料电池的运行工况和压缩机体积小、质量轻、噪声低的使用要求,燃料电池空气压缩机采用无油润滑双涡圈涡旋式压缩机的结构型式。针对压缩机的结构特点,建立了双涡圈齿头型线修正方程和动涡旋圆盘与支架体之间缝隙泄漏数学模型,给出了压缩机功耗随缝隙宽度变化的试验结果,并对整机性能进行了试验研究。试验结果表明,压缩机排气侧增设冷却水道,可有效降低排气温度和压缩功耗。

无油螺杆压缩机在燃料电池中的应用

由于环境污染、全球变暖、能源短缺等各方面原因,能量转换效率高且无污染的燃料电池汽车备受人们的青睐,作为燃料电池系统中重要部件之一的空气压缩机也成为研究的热点。西安交通大学压缩机研究所成功研制了可以应用于燃料电池的LG300型喷水螺杆空气压缩机以及具有体积小、质量轻、效率高的高速干式螺杆压缩机、膨胀机,并且经过与燃料电池系统配套使用,获得成功。

燃料电池车用离心叶轮型线参数化及多工况优化

以65kW燃料电池动力系统的高速无油润滑离心空压机为优化对象,采用Bezier曲线对其叶片型线进行参数化解析,依据超拉丁抽样方法获得遗传算法优化所需的样本空间,在此基础上建立Kigring近似模型进行多工况优化.寻优及CFD(计算流体动力学)数值计算结果显示,常用工况点和额定工况点等熵效率及压比均得到提高,且常用工况点改善更为显著.这表明传统内燃机车用离心增压器设计及优化时不能兼顾多工况性能结论不适用燃料电池汽车,叶轮性能空气动力学解析同样证实该结论具有理论基础.与基于叶轮几何参数的优化结果对比显示,基于叶片型线参数化的优化可以更加显著地改善离心空压机性能,是一种更加全面和有效的离心叶轮优化方法.

燃料电池车空调压缩机声振特性分析

在空调压缩机独立运行下,通过实验明确了空调压缩机是车内外振动噪声的主要来源之一;支架因在压缩机的工作频率附近存在低阶固有频率而发生共振,引起车身板件振动并向车内辐射噪声,是车内噪声的主要来源。针对支架的整体刚度偏低、力传递率过大、在压缩机振动激励下发生共振的特点,使用增强材料增强了压缩机支架的整体刚度,有效的避免了支架的共振,降低了车内噪声2dB以上。

大功率PEMFC空气系统电流跟随分段PID控制方法研究

为优化大功率燃料电池系统空压机控制效果,基于离心式空压机系统模型,提出了大功率质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)空气供给系统的电流跟随分段PID控制方法.该方法以离心式空压机响应特性为基础,以实际工作电流为跟随目标,在动态响应与稳态控制阶段采用不同的PID参数进行闭环控制,并进行了模拟仿真研究.最后,在实验室已有的150 k W燃料电池系统基础上的实验验证,模拟仿真与实验验证结果表明,仿真模型计算误差控制在5%以内,准确的反映了离心式空压机与空气供给系统的特性,所提出的大功率PEMFC空气供给系统的电流跟随分段PID控制方法不仅能够满足PEMFC电堆稳态控制要求,同时将动态响应时间缩短至3 s以内,控制效果良好.