[01699798]质子交换膜燃料电池系统多变量控制及动态性能优化

① 课题来源与背景; 本课题来源于甘肃省自然科学基金项目,项目编号为1508RJZA090。 能源和环境是人类赖以生存和发展的物质基础,开发新型能源和保护环境已经成为人类社会发展面临的两个重要问题,因此以燃料电池技术为代表的氢能源受到国内外专家学者和政府机构越来越多的青睐。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）是目前世界上最成熟的燃料电池技术,其燃料为可再生的氢气,生成的反应物为水,在将氢气与空气中的氧气化合过程中释放出电能,实现了零排放,是环保并且高效的新型能源。同时,PEMFC具有体积小、模块呈“积木化”结构、组装和维护方便等优点,是目前发展最快、应用最广的燃料电池,是新一代能源动力系统。可以预见的是,伴随着燃料电池相关技术的不断发展与完善,质子交换膜燃料电池将会在更广泛的领域发挥更大的作用,目前正受到世界上越来越多国家的重视和政策扶持。 ② 技术原理及性能指标; 国内外已针对PEMFC的稳态特性进行了大量研究,由于PEMFC动态特性研究对于电池的设计开发和实际应用具有极其重要的作用,同时涉及到流体力学、热力学、电化学以及计算机等众多学科分支,因此对PEMFC动态特性的研究具有重要的科学研究和工程应用意义。 PEMFC系统的控制具有多输入、多输出、非线性、时变等特点,其控制过程中还伴随着不确定性和随机性干扰。本课题目标是研究PEMFC系统动态控制策略和方法的优化,首先建立PEMFC系统的优化数学模型,研究适合PEMFC动态控制的方法;研究在负载突变的情况下,PEMFC输出电压和快速响应机理;开展相关的仿真研究,探讨在暂态变化中维持PEMFC最佳工作温度和质子膜湿度的同时,如何防止出现不利的电压降, 否则将会影响PEMFC工作效率和使用寿命。 ③ 技术的创造性与先进性; 本项目自批准立项,课题组成员精诚团结、通力合作,做了大量的工作,加之本项目的前期工作,使得该项目顺利完成了预期目标,针对质子交换膜燃料电池系统模型优化以及暂态过程控制方法进行了研究,部分解决了下述问题： 1)建立了PEMFC系统的优化数学模型,能较好地适应PEMFC动态控制中的多输入、多输出、非线性、时变等特点; 2)研究比较了已有的PEMFC控制方法,提出了适合PEMFC系统动态控制的模糊控制方法,在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了相关的仿真模型; 3)研究PEMFC在负载突变的情况下,PEMFC系统输出电压和快速响应机理,并开展相关的仿真研究; 4)探讨了在暂态变化中维持PEMFC最佳工作温度和质子膜湿度的同时,如何提高系统响应速度,达到延长PEMFC使用寿命。 ④ 技术的成熟程度,适用范围和安全性; 本项目通过对PEMFC的研究,取得了一定的研究成果,可将该理论成果应用于甘肃省新能源研究领域,定能取得良好的经济效益。通过相关的理论研究与模型仿真,为燃料电池系统控制方法优化奠定了理论基础,也为此类新方法的推广提供了理论依据,具有广阔的应用前景。本课题组成员参与了该项目的实施以及研究工作,并取得了一定的研究成果。 ⑤ 应用情况及存在的问题; 尚未推广应用。 ⑥ 历年获奖情况; 无。