熔盐燃料电池电堆动态特性的建模和分析

根据物质、动量和能量守恒，建立了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的数学模型，给出了模型的边界条件。将MCFC电堆的波状板考虑到模型中，求解模型得到气压以及各部分温度的分布。给出并求解了MCFC的电气特性模型，分析了电堆沿气流方向的特性；电堆在电流密度阶跃变化下的动态响应。与试验数据的比较表明，模型能正确反映电堆真实的内部特性。     

微型燃料电池设计与三维数值模拟分析

以一反应面积2.5 cm 2利用微机电制程蚀刻流场板之微型质子交换膜燃料电池为研究对象,利用CFD-ACE+软件仿真燃料电池电化学反应分析微型燃料电池内部质子交换膜电化学反应分布情形,三维数值仿真电池性能与实验测试数据相互验证。三维模型仿真分析2个不同气体流量电流密度、温度、水和水含量于质子交换膜上的分布情形。结果表明：微型燃料电池内部温度分布受质子交换膜上气态水分布所影响,当操作电压定在0.4 V时,质子交换膜上较低的气体流量会有较佳的电化学反应,因此会有较均匀的电流密度分布,而质子交换膜上水亦较多且均匀分布,产生较低且较均匀的温度分布,仿真结果阐明微型燃料电池内部物理现象。     

质子交换膜燃料电池双极板与气体扩散层接触压力测量与模拟

质子交换膜(PEM)燃料电池的组装力和工作温度对双极板与气体扩散层(GDL)之间的接触压力有着重要影响,而双极板与气体扩散层之间接触压力的大小与分布对燃料电池的电化学性能至关重要。基于有限元软件ABAQUS开发了PEM燃料电池预紧力-温度顺序耦合程序,预测得到了不同螺栓预紧力和温度下双极板与气体扩散层间接触压力的大小和分布。有限元分析结果表明:接触压力随预紧力的增大而增大;燃料电池的工作温度对双极板与气体扩散层之间的接触压力有重要影响,接触压力随温度的升高而增大。采用压力传感膜技术试验测试了双极板与GDL之间的接触压力大小与分布,试验结果与模拟结果吻合较好。     

燃料电池在机械应力下的工作参数分布

针对质子交换膜燃料电池在机械应力下的气-液两相流进行数学模拟研究,建立了一个二维质子交换膜燃料电池非等温两相流多物理场稳态模型. 该模型综合考虑了固体力学、电化学、传热传质以及气液两相流的物理因素,研究了质子交换膜燃料电池在机械应力作用下的两相流分布.计算结果显示：在机械应力作用下,燃料电池肋板下方的多孔介质应力明显大于流道下方的应力,且在肋板和流道交界处下方的气体扩散层会产生明显的应力集中现象;随着电流密度的增加,阴极相对湿度逐渐增加,但阳极相对湿度会减小;液态水仅在阴极产生且主要在肋板下方的多孔介质内形成,其在阴极的饱和度随电流密度的增加而不断增加.     

PEM燃料电池阴极催化剂层特性

为了提高催化剂层的特性和PEM燃料电池的性能,加速它的推广和应用.给出了一个PEM燃料电池阴极传热传质的数学模型,模拟研究了阴极催化剂层中氧气体积分数、电流密度、阻抗和温度分布的规律.研究发现:模拟条件下,在阴极催化剂层中的传质中,质子传递过程是阴极性能的控制过程;沿着气体通道方向,催化剂层中的氧气浓度、电流密度、阻抗和温度均渐渐降低;沿着Y轴方向,氧气体积分数,阻抗和温度渐渐降低,而电流密度升高.研究结果对PEM燃料电池阴极结构优化和提高性能具有重要的参考作用.     

基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析

空冷型质子交换膜燃料电池内部反应状态是影响电池输出性能和稳定性的关键因素.通过研制空冷燃料电池反应状态的原位测试装置,实现电池温度和电流密度的实时测量,揭示氢气出口脉排间隔、氢气入口气压和阴极风速对电池性能的影响机制.研究表明：空冷电池中温度和电流密度分布不均,平均电流密度为500 mA/cm²时,电池内温度极差达到20℃,电流密度极差达到400 mA/cm².氢气出口脉排间隔越短、入口气压越大,氢气出口区域性能越好,分布均匀性越好,电流密度波动也越小,输出稳定性提高.如果阴极风速过低,电池局部温度高,温度分布均匀性降低;风速过高则导致生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度分布均匀性变差.     

质子交换膜燃料电池的三维数值模拟

对一种质子交换膜燃料电池进行了整个单电池的三维数值模拟.计算中采用单相等温模型,数值求解用整场离散、整场求解的方法,同时采用已知电流通过Butler-Volmer方程修正过电位获得电池电压的方法模拟电化学动力学过程.数值结果与实验值的对比表明,所采用的单电池计算模型在大部分工况下获得的输出电压与实验值偏差均可控制在10%～20%以内.计算并分析了单电池局部电流密度分布,同时将单电池模型与典型单元模型的计算结果进行了对比,发现两者在电流密度、质量组分的分布上均存在明显的差异,其原因主要在于典型单元边界条件设置所致.该工作将有助于对质子交换膜燃料电池的流动、传质与电化学过程进行进一步的数值研究.     

利用多孔介质板回收PEMFC排气中水分的实验

针对使用多孔介质板的质子交换膜燃料电池增湿器,建立了研究透过多孔介质板的热湿移动特性的实验测量系统,使用该系统测量并比较了增湿气体(燃料电池的排气)透过多孔介质板向被增湿气体(燃料电池阴极供气)进行热湿传递时,气体的温度、相对湿度与流量等因素对热湿传递特性的影响.结果表明:在使用相同的多孔介质板的前提下,降低气体流量、提高增湿气体进口温度和相对湿度对多孔介质板两侧的换热更加有利;提高增湿气体的进口温度、降低气体流量和增湿气体的相对湿度可提高水分回收率,而提高增湿气体的温度、相对湿度以及流量均可提高水分传递量.     

基于计算流体力学的熔融碳酸盐燃料电池输出性能数值模拟

对熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的连续、动量、能量方程以及电压、电化学方程进行了数学描述，采用计算流体力学(CFD)方法，对MCFC的输出性能进行数值模拟，计算结果包括电池温度、电流密度以及功率密度分布等重要参数．并将理论模型的计算结果与kW级的MCFC温度分布实验数据进行比较，两者符合很好，证明所提数学模型具有较高的可靠性．     

质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维两相流模型来研究质子交换膜燃料电池内水分的传递规律和分布状态,在该模型中,催化剂层作为一个有厚度的实体包含在电极中.模型耦合了质子交换膜燃料电池电极中的流动方程.组分方程、催化剂层和质子交换膜中的电势和电流密度分布方程,可以应用在质子交换膜燃料电池的阴极,也可以使用在阳极.同时,模型还考虑了相变引起的液相和气相间的动量变化,重点模拟了水分在燃料电池的阴极、阳极和质子交换膜中的传递规律及其分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度、提高电流密度和降低电池温度都会使电池质子膜中的水分含量增大,质子传导率升高,也会使阴极中液态水含量增加,阴极浓差极化加剧.     

基于计算流体力学的熔盐燃料电池电堆的仿真

基于计算流体力学技术，建立并仿真了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的三维模型，对电堆内部的物质、动量和能量守恒过程进行了理论分析，模型考虑了MCFC电堆的一个重要组成部分-波状板，并讨论了波状板尺寸对电堆性能的影响，结果表明，在采用较大尺寸波状板的电堆中，电化学反应进行得更加充分，所建模型对电堆内部流场的设计有一定意义。     

增压型MCFC/MGT混合动力系统中燃料电池的特性分析

针对增压型熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与现有微型燃气轮机(MGT)设计的混合动力系统,分析了在部分负荷运行时MCFC的特性;在MCFC建模过程中,考虑了电流密度和电池工作温度等参数的影响,并将模拟结果与其实验数据进行对比;应用压气机和透平的特性曲线建立了MGT在非设计工况下的分析模型;提出了4种不同的控制方式,以控制系统的部分负荷运行,并应用所建模型分析了系统中MCFC在不同控制方式下的特性.结果表明:通过有效的控制手段以保持较高的MCFC工作温度,可使MCFC在部分负荷运行时的效率高于设计点值;MCFC的性能对混合动力系统影响很大;在部分负荷运行时需要维持较高的电池工作温度以提高系统性能.     

顺流型熔盐燃料电池电堆的电气特性模型

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的电气与温度特性决定其性能和可靠性，立足于控制MCFC电堆的输出电压，从单体电池推及电堆，比较全面地对MCFC电堆输出电压以及与之相关的电流密度，燃料气体利用率等特性加以分析，在系统级上建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的动态模型，并以外部负载扰动为例讨论了各状态量之间的相互关系，分析和建模的正确性为仿真结果所证实，所得结论有助于控制方案和流场的设计，以及电池材料的选择。     

Neural—networks—based Modelling and a Fuzzy Neural Networks Controller of MCFC

Molten Carbonate Fuel Cells(MCFC) are produced with a highly efficient and clean power generation technology which will soon be widely utilized.The temperature characters of MCFC stack are briefly analyzed.A radial basis function (RBF) neural networks identification technology is applied to set up the temperature nonlinear model of MCFC stack,and the identification structure,algorithm and modeling training process are given in detail.A fuzzy controllery of MCFC stack is designed.In order to improve its online control ability,a neural network trained by the I/O data of a fuzzy controller is designed.The neural networks can memorize and expand the inference rules of the fuzzy controller and substitute for the fuzzy controller to control MCFC stack online,A detailed design of the controller is given,The validity of MCFC stack modilling based on neural networks and the superior performance of the fuzzy neural networks controller are proved by Simulations.     

基于神经网络辨识的熔融碳酸盐燃料电池建模

针对熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆系统难以建模以及已建立的模型过于复杂，难以满足工程上对MCFC系统控制设计特别是实时控制需要的情况，绕开MCFC的内部复杂性，提出利用神经网络可能逼近任意复杂非线性函数的性能，将神经网络辨识方法应用到MCFC这种高度非线性系统的建模中。以燃料气和氧化剂气体的流速的输入量，MCFC电堆温度响应为输出量，根据输入输出数据用神经网络辨识建立MCFC电堆系统的温度模型，给出了辨识系统的结构及改进BP算法。仿真结果证明了这种方法的可行性，所建立的模型精度较高，使得设计MCFC的实时控制器成为可能。     

Hybrid Dynamic Modeling and Control of Molten Carbonate Fuel Cell Stack Shutdown

A hybrid automaton modeling approach that incorporates state space partitioning, phase dynamic modeling and control law synthesis by control strategy is utilized to develop a hybrid automaton model of molten carbonate fuel cell （MCFC） stack shutdown. The shutdown operation is divided into several phases and their boundaries are decided according to a control strategy, which is a set of specifications about the dynamics of MCFC stack during shutdown. According to the control strategy, the specification of increasing stack temperature is satisfied in a phase that can be modeled accurately. The model for phase that has complex dynamic is approximated. The duration of this kind of phase is decreased to minimize the error caused by model approximation.     

Fuzzy fault diagnosis system of MCFC

A kind of fault diagnosis system of molten carbonate fuel cell (MCFC) stack is proposed in this paper. It is composed of a fuzzy neural network (FNN) and a fault diagnosis element. FNN is able to deal with the information of the expert knowledge and the experiment data efficiently. It also has the ability to approximate any smooth system. FNN is used to identify the fault diagnosis model of MCFC stack. The fuzzy fault decision element can diagnose the state of the MCFC generating system, normal or fault, and can decide the type of the fault based on the outputs of FNN model and the MCFC system. Some simulation experiment results are demonstrated in this paper.     

MCFC电堆的自适应模糊控制器的设计

根据熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的数学模型，为了在温度允许界限内保持MCFC电堆对外电压输出的恒定，采用自适应模糊控制理论对MCFC电堆的控制进行研究，设计了一种具有两个自适应调整模块（参数调整模块和聚类分析模块）的模糊控制器，仿真结果表明自适应模糊控制方法在性能和效果上都比PID控制有明显的提高，从而能够保证MCFC电堆在运动过程中的可靠性。