基于电池代理模型的固体氧化物燃料电池堆高效数值模型研究

1

作者 廖家伟 揭豪 +1 位作者 许超轶 洪伟荣 《中国电机工程学报》 北大核心 2025年第9期3493-3503,I0018,共12页

数值仿真技术在固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)发展过程中至关重要,有助于探究内部物理参数分布和电化学特性,保证SOFC可靠运行,加快结构迭代优化。SOFC电堆是一个耦合多物理场、结构高度复杂的研究对象,其高昂的计算... 数值仿真技术在固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)发展过程中至关重要,有助于探究内部物理参数分布和电化学特性,保证SOFC可靠运行,加快结构迭代优化。SOFC电堆是一个耦合多物理场、结构高度复杂的研究对象,其高昂的计算成本阻碍了大规模电堆的仿真优化。基于代理模型技术,该文提出在三维电堆模型中内置电池代理模型的联合仿真方法,采用数据驱动的代理模型替代电池尺度部分物理过程,实现计算域上代数方程对偏微分方程的替换,从而提高电堆数值模拟效率。仿真结果表明,简化模型可预测堆内状态参数不一致分布,与原模型保持了较高的一致性,预测结果可靠。基于简化模型的电堆数值仿真可降低模型自由度,减少计算内存,提高35%的计算效率,并可实现更大规模电堆的数值计算。可知,简化建模思路及仿真模型对SOFC规模化仿真以及性能分析具有实用价值,对电堆规模放大设计有指导意义。 展开更多

关键词 固体氧化物燃料电池堆 数值模拟 规模放大 数据驱动 Kriging代理模型

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基于经验小波变换的SOFC泄漏故障诊断

2

作者 杨瑞志 武鑫 +1 位作者 熊星宇 胡亮 《电池》 CAS 北大核心 2024年第2期170-174,共5页

固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆通常在700℃以上的高温下工作。电堆所用密封剂在高温下易退化失效,导致泄漏故障,引发电堆的热失控和损坏,影响系统运行稳定性。提出一种基于电堆温度和电压信号的经验小波变换(EWT)诊断方法。通过EWT分解... 固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆通常在700℃以上的高温下工作。电堆所用密封剂在高温下易退化失效,导致泄漏故障,引发电堆的热失控和损坏,影响系统运行稳定性。提出一种基于电堆温度和电压信号的经验小波变换(EWT)诊断方法。通过EWT分解温度和电压信号,得到多分辨率分析(MRA),分析其中故障特征明显的MRA信号,求出时域特征,通过设定的阈值判断是否发生泄漏。通过千瓦级电堆实验平台数据,验证EWT诊断方法可较好地检测电堆泄漏故障,且相较于电压信号,温度信号的诊断更迅速。与集合经验模态分解诊断方法相比,EWT方法可更快地诊断出泄漏故障。 展开更多

关键词 系统建模 固体氧化物燃料电池(SOFC) 电堆泄漏 经验小波变换(EWT)

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燃料电池机车热管理系统建模和动态分析 被引量：12

3

作者 郭爱 陈维荣 +1 位作者 刘志祥 李奇 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第5期953-960,共8页

为了提高燃料电池机车的工作效率和动态性能,根据燃料电池机车热管理工作原理,利用物质守恒定律、热力学第一定理和相似原理,建立了包含散热器风机和冷却液循环泵的面向控制模型,研究了旁路阀门开度、冷却液循环泵电压和散热器风机电压... 为了提高燃料电池机车的工作效率和动态性能,根据燃料电池机车热管理工作原理,利用物质守恒定律、热力学第一定理和相似原理,建立了包含散热器风机和冷却液循环泵的面向控制模型,研究了旁路阀门开度、冷却液循环泵电压和散热器风机电压对电堆温度、温度差以及系统效率的影响.研究结果表明:旁路阀可以局部调节电堆温度、温度差以及系统调节时间,但几乎不影响稳态效率;循环泵可以调节电堆的温度差,在保证温度差条件下,循环泵电压越小系统效率越高;散热器风机可以调节电堆温度和响应时间,电压越小系统效率越高. 展开更多

关键词 燃料电池 机车 建模 电堆温度 温度特性

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车用燃料电池热管理系统模型研究 被引量：12

4

作者 郭爱 陈维荣 +1 位作者 刘志祥 李奇 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2014年第12期2278-2282,共5页

车用燃料电池系统发电的同时释放大量热量,必须构建适合的热管理系统以确保系统性能和可靠性。在分析车用燃料电池热管理系统工作原理基础上,建立了面向控制的计及电堆、空气冷却器、氢气热交换器、旁路阀、散热片和冷却水循环泵模型的... 车用燃料电池系统发电的同时释放大量热量,必须构建适合的热管理系统以确保系统性能和可靠性。在分析车用燃料电池热管理系统工作原理基础上,建立了面向控制的计及电堆、空气冷却器、氢气热交换器、旁路阀、散热片和冷却水循环泵模型的燃料电池热管理系统模型,并通过仿真实验研究了电堆电流、冷却液流速、散热片表面风速、旁路阀开度与燃料电池温度的关系;讨论了它们对空气冷却器、氢气热交换器、电堆及散热器入口与出口温度差的影响。模拟结果可以为燃料电池热管理控制系统设计提供指导和帮助。 展开更多

关键词 燃料电池 建模 电堆温度 温度特性

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燃料电池机车温度系统建模和控制 被引量：7

5

作者 郭爱 陈维荣 +2 位作者 李奇 刘志祥 李艳昆 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第1期133-141,共9页

以质子交换膜燃料电池为动力源的燃料电池机车是机车发展的一个新方向,温度是保证系统性能和可靠性的重要条件之一。建立了燃料电池机车温度系统的动态模型,其中包含电堆、旁路阀、散热片等部件及其阻力模型;通过调节散热器空气流速和... 以质子交换膜燃料电池为动力源的燃料电池机车是机车发展的一个新方向,温度是保证系统性能和可靠性的重要条件之一。建立了燃料电池机车温度系统的动态模型,其中包含电堆、旁路阀、散热片等部件及其阻力模型;通过调节散热器空气流速和循环泵冷却液流速,实现电堆入口温度保持在设定温度及电堆出入口温度差<10o C的控制目标;温度控制器分别采用了PI控制器和带积分的状态反馈控制器。仿真实验验证了PI控制和带积分的状态反馈控制不仅都能达到满意效果,二者的温度误差<0.1o C,由于带积分的状态反馈控制考虑了输入和输出之间的耦合关系,其控制性能明显优于PI控制。 展开更多

关键词 燃料电池 电堆温度 阻力模型 带积分的状态反馈控制

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质子交换膜燃料电池及系统建模的研究与进展 被引量：9

6

作者 吴金锋 侯明 +1 位作者 衣宝廉 张华民 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2004年第1期56-63,共8页

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行数学模拟,有助于了解电池内部的物理化学过程,为进一步优化电池结构、尺寸和操作条件提供参考。详细介绍了目前PEMFC关于质子交换膜、电极、单电池,电池组和系统四个尺度上的建模现状,并指出了现有模型... 对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行数学模拟,有助于了解电池内部的物理化学过程,为进一步优化电池结构、尺寸和操作条件提供参考。详细介绍了目前PEMFC关于质子交换膜、电极、单电池,电池组和系统四个尺度上的建模现状,并指出了现有模型的优缺点。主要讨论:(1)全氟磺酸膜反胶束离子簇模型,微观尺度上膜的传递机理;(2)电极内传质、传热过程,分析各种电极模型的有效性; (3)水在膜内的传递现象,表明控制适当的水分布对提高电池性能非常重要;(4)单电池模拟过程中对热平衡和水平衡同时考虑。最后,分析了质子交换膜燃料电池建模的发展方向。 展开更多

关键词 质子交换膜燃料电池 系统建模 数学模拟 电池结构 电极

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质子交换膜燃料电池电堆系统建模与控制研究 被引量：2

7

作者 田玉冬 朱新坚 曹广益 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2004年第10期656-660,共5页

首先介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)的单体结构和工作原理,并针对PEMFC电堆系统的复杂性,提出PEMFC电堆系统结构,系统结构包含PEMFC反应物供应、过程调节、水/热管理、输出调节和系统控制。然后在已有的PEMFC机理模型和经验模型的基础上... 首先介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)的单体结构和工作原理,并针对PEMFC电堆系统的复杂性,提出PEMFC电堆系统结构,系统结构包含PEMFC反应物供应、过程调节、水/热管理、输出调节和系统控制。然后在已有的PEMFC机理模型和经验模型的基础上,详细分析PEMFC电堆系统的数学建模,给出PEMFC电堆系统结构条件的划分、变量空间的建立、参数的选择和模型辨识。最后讨论PEMFC电堆系统控制的现状和发展,研究PEMFC电堆系统控制的特点,从应用的角度出发,提出基于模糊推理控制和广义预测控制的PEMFC电堆系统控制的可行方案。 展开更多

关键词 质子交换膜燃料电池 电堆系统 建模 控制

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5kW氢-空质子交换膜燃料电池堆的模型研究 被引量：1

8

作者 李晓光 曹柳林 +1 位作者 刘志祥 毛宗强 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第S1期250-255,共6页

采用机理模型和经验模型相结合的建模方法建立了一个5kw质子交换膜燃料电池堆实际装置的电化学模型。利用电池堆与单电池之间的内在关系,首先给出了单电池的数学描述,进而建立燃料电池堆的数学模型,其中包括热力学平衡电势、活化极化电... 采用机理模型和经验模型相结合的建模方法建立了一个5kw质子交换膜燃料电池堆实际装置的电化学模型。利用电池堆与单电池之间的内在关系,首先给出了单电池的数学描述,进而建立燃料电池堆的数学模型,其中包括热力学平衡电势、活化极化电势和欧姆极化电势等表达式,以及单电池内阻的经验公式。由于难以得到机理方程中的某些关键参数,因此采用实验设计,获得燃料电池堆的实验数据,运用线性回归的数学方法获得机理模型中活化极化电势方程中的相关参数,通过模拟研究和模型验证,所建立的模型可以较准确的描述燃料电池的极化曲线,预估出燃料电池的输出电压。 展开更多

关键词 质子交换膜 燃料电池堆 数学模型

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熔融碳酸盐燃料电池堆温度场的瞬态模拟 被引量：1

9

作者 王彦辉 徐鸿 杜小泽 《现代电力》 2003年第6期6-10,共5页

通过研究熔融碳酸盐燃料电池的传热传质和电化学反应机理 ,根据质能守恒原理建立了顺流型电堆内部单体的暂态温度模型。模型考虑了辐射换热、shift反应及组分的变化。模型的求解采用近似解析法 ,求解传质方程时电流密度做了一阶假设。... 通过研究熔融碳酸盐燃料电池的传热传质和电化学反应机理 ,根据质能守恒原理建立了顺流型电堆内部单体的暂态温度模型。模型考虑了辐射换热、shift反应及组分的变化。模型的求解采用近似解析法 ,求解传质方程时电流密度做了一阶假设。结果表明沿流动方向 ,单体平面温度逐渐升高 ,电堆进口温度最先稳定 ,出口温度达到稳定则需要较长时间 ;控制电解质出口温度是实现顺流型电堆温控的有效措施。 展开更多

关键词 熔融碳酸盐燃料电池堆 温度场 瞬态模拟 温度模型 传热传质 电化学反应机理

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熔盐燃料电池堆温度场的数值分析 被引量：1

10

作者 王彦辉 徐鸿 杜小泽 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2005年第1期11-14,共4页

通过研究熔融碳酸盐燃料电池的传热传质和电化学反应机理,根据质能守恒原理建立了电堆的稳态温度模型。模型考虑了辐射换热、转换反应及组分动量的变化。求解传质方程时对电流密度做了一阶假设。结果表明顺流型熔融碳酸盐燃料电池堆的... 通过研究熔融碳酸盐燃料电池的传热传质和电化学反应机理,根据质能守恒原理建立了电堆的稳态温度模型。模型考虑了辐射换热、转换反应及组分动量的变化。求解传质方程时对电流密度做了一阶假设。结果表明顺流型熔融碳酸盐燃料电池堆的最高温度在电堆中间和出口部分;入口气流温度、阴极利用率和电流密度是影响电堆温度的主要因素。 展开更多

关键词 熔融碳酸盐燃料电池 温度模型 温度场 影响因素 数值模拟

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基于仿射热模型的质子交换膜燃料电池电堆的热管理控制 被引量：2

11

作者 李曦 曹广益 +1 位作者 朱新坚 邵庆龙 《动力工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第3期443-446,共4页

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆工作温度对电堆的性能和运行寿命有很大影响。为了实现质子交换膜燃料电池电堆温度的有效控制,根据电堆能量守恒原理建立了电堆动态热管理模型。由于该模型是具有参数不确定和易受外界干扰的非线性模型,为... 质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆工作温度对电堆的性能和运行寿命有很大影响。为了实现质子交换膜燃料电池电堆温度的有效控制,根据电堆能量守恒原理建立了电堆动态热管理模型。由于该模型是具有参数不确定和易受外界干扰的非线性模型,为此,采用了线性二次型优化控制和李亚普诺夫函数的递推设计方法设计了具有强鲁棒性的自适应控制器两种控制算法对电堆温度进行控制,数字测试验证了该算法的有效性。 展开更多

关键词 能源系统工程 质子交换膜燃料电池 热管理模型 自校正控制 线性二次型优化控制

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基于最小二乘法的PEMFC电堆模型参数辨识 被引量：11

12

作者 胡捷 苏建徽 +2 位作者 杜燕 汪海宁 施永 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1-4,共4页

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的优化控制需要精确的电堆模型和参数。该文基于半经验机理模型,根据PEMFC电堆输出特性经验公式以及电化学、热力学原理建立电堆输出电压的机理模型,采用线性回归最小二乘法进行模型参数辨识。仿真实验辨... 质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的优化控制需要精确的电堆模型和参数。该文基于半经验机理模型,根据PEMFC电堆输出特性经验公式以及电化学、热力学原理建立电堆输出电压的机理模型,采用线性回归最小二乘法进行模型参数辨识。仿真实验辨识结果的误差分析表明,其电堆模型参数辨识精度满足控制要求,验证了所提方法的有效性和可行性。 展开更多

关键词 PEMFC 最小二乘法 参数辨识 回归分析 燃料电池电堆模型

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车用多堆燃料电池系统能量管理与控制策略 被引量：11

13

作者 周苏 王克勇 +1 位作者 文泽军 张岗 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期107-115,共9页

针对单堆燃料电池系统的输出功率、效率和寿命问题,对车用多堆燃料电池(multi-stack fuel cell,MFC)系统的能量管理策略(energy management strategy,EMS)与控制策略进行研究。提出了多级能量管理策略,其中第一级EMS基于工况对MFC系统... 针对单堆燃料电池系统的输出功率、效率和寿命问题,对车用多堆燃料电池(multi-stack fuel cell,MFC)系统的能量管理策略(energy management strategy,EMS)与控制策略进行研究。提出了多级能量管理策略,其中第一级EMS基于工况对MFC系统与动力电池系统间的能量进行自适应分配,第二级EMS引入兼顾效率和寿命的目标优化函数,优化分配每个电堆的功率输出。研究结果表明,在满足同一电功率负载工况需求条件下,与单堆燃料电池系统相比较,MFC系统的燃料经济性可提高约4%,系统寿命性能也有所改善。 展开更多

关键词 多堆燃料电池系统 能量管理策略 工况识别 优化模型 最优分配策略

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多堆燃料电池系统温度模型预测控制 被引量：7

14

作者 沈伟 石霖 +3 位作者 陈春光 周苏 王宁 裴冯来 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期1368-1376,共9页

针对多堆燃料电池系统各电堆温度的控制问题,提出了一种将阴阳极出口气体温度作为电堆温度修正项的并联式热管理子系统模型,并对多堆燃料电池系统进行热平衡分析。首先,采用模型预测控制方法进行温度控制;然后,应用系统模型辨识的方法... 针对多堆燃料电池系统各电堆温度的控制问题,提出了一种将阴阳极出口气体温度作为电堆温度修正项的并联式热管理子系统模型,并对多堆燃料电池系统进行热平衡分析。首先,采用模型预测控制方法进行温度控制;然后,应用系统模型辨识的方法建立多个预测模型,通过切换预测模型控制不同工况点的电堆温度过程;最后,设计测试工况进行仿真验证。结果表明:在相应的温度指标下,并联式热管理子系统应用模型预测控制算法能够快速准确地进行多堆燃料电池系统中各电堆的温度控制,并且增加典型工况点的多个预测模型有助于提升控制效果,使得超调量减小,调节时间缩短。 展开更多

关键词 燃料电池 多堆燃料电池系统 温度控制 模型预测控制

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基于贝叶斯正则化BP神经网络的PEMFC电堆建模 被引量：8

15

作者 夏世远 苏建徽 +2 位作者 杜燕 汪海宁 施永 《合肥工业大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2021年第7期895-899,共5页

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电堆具有输入输出关系复杂、非线性强等特点,获得精确的电堆模型是PEMFC系统优化控制的基础。文章针对PEMFC电堆特点,提出一种改进BP(back propagation)神经网络的PEMFC... 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电堆具有输入输出关系复杂、非线性强等特点,获得精确的电堆模型是PEMFC系统优化控制的基础。文章针对PEMFC电堆特点,提出一种改进BP(back propagation)神经网络的PEMFC电堆建模方法。利用BP神经网络良好的非线性拟合特性,采用贝叶斯正则化算法改进BP神经网络,较好地解决了传统BP神经网络存在的高训练精度、低预测精度的过拟合问题。仿真结果表明,经过训练后的电堆模型,在精度和稳定性上具有一定的优势,即使在训练样本数量减少的情况下,依然可以保持良好的泛化能力和较高的稳定性。 展开更多

关键词 质子交换膜燃料电池(PEMFC) 贝叶斯正则化 BP神经网络 电堆建模 泛化能力

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质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化 被引量：8

16

作者 罗悦齐 张嵩 +1 位作者 高丽萍 俞剑峰 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第11期2626-2635,共10页

质子交换膜燃料电池在车辆中具有较大的应用潜力。低温启动过程是指燃料电池从较低的初始温度启动,直到稳定工作状态的过程。该过程中的水热管理特性决定燃料电池的输出性能。利用数值仿真方法,建立一个一维多相流电池堆模型,研究不同... 质子交换膜燃料电池在车辆中具有较大的应用潜力。低温启动过程是指燃料电池从较低的初始温度启动,直到稳定工作状态的过程。该过程中的水热管理特性决定燃料电池的输出性能。利用数值仿真方法,建立一个一维多相流电池堆模型,研究不同条件下从10℃低温启动直到升温至80℃的过程中电池启动性能和水热管理特性。结果表明,随着启动过程的进行,电池堆温度分布的不均匀性逐渐凸显。启动初期电压下降,主导因素是显著的电渗拖曳效应(EOD)导致阳极电阻增大。阳极氢-氧催化反应辅助启动,既可使电池堆更快达到正常工作温度,也可为阳极快速加湿,降低电阻,获得更高的输出电压。而阴极氢-氧催化反应辅助启动易导致阴极水淹,因此不利于提高低温启动过程中的水热管理性能。 展开更多

关键词 质子交换膜燃料电池堆 低温启动 一维模型 辅助启动

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1~5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试 被引量：2

17

作者 罗来明 张劲 +3 位作者 郭志斌 王海宁 卢善富 相艳 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期1724-1734,F0003,共12页

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm2)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象,通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示,当电堆的单池... 以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm2)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象,通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示,当电堆的单池数量从10片增加至60片时,平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V,且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV;单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K,且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加,电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势,且单池间电压极差变大,单池电压一致性有所下降,单池间的温差变大,其单池自身的均温一致性也有所降低,电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆,在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下,测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V,单池极差从24 mV增加到59 mV,与模拟结果显示出良好的一致性,验证了模拟结果的有效性。在氢/空干气计量系数为1.5/2.5的操作条件下,展示出了优异的输出性能,三个电堆在80 A电流放电时的输出功率分别达到1.35、2.64和5.28 kW。研究结果可为千瓦级高温聚合物电解质膜燃料电池堆的设计和组装测试提供理论和实践指导。 展开更多

关键词 燃料电池 千瓦级电堆 数学模拟 实验验证 高温聚合物电解质膜 电池一致性

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