PEMFC性能仿真及PDE模型降阶方法研究

论文摘要

燃料电池已经被公认为21世纪新型洁净发电方式之一。伴随着能源需求与环保要求的双重压力下,燃料电池的研究与应用迎来了良好的发展机遇。燃料电池作为一种将化学能高效地、环境友好地转化为电能的发电装置,与传统的火力发电方式相比,具有效率高、噪音低、污染小、进料广、用途多等突出的优点。质子交换膜燃料电池作为第五代发展起来的燃料电池,相对于其它电池来说,具有工作温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广等特点,受到越来越多的关注。通过实验或者模拟仿真手段研究影响质子交换膜燃料电池性能的各种因素,而其中模拟仿真方式是一种方便、简洁、有效的手段。本文基于模块化建模思想,通过建模仿真来研究质子交换膜燃料电池的稳态、动态性能。本文主要分为四部分,首先建立H2/空气型和H2/O2型质子交换膜燃料电池单电池的稳态数学模型,稳态模型考虑了氧化剂分别以空气或者纯氧气对燃料电池性能的影响,考虑了质子交换膜燃料电池增湿时,相对湿度对燃料电池性能的影响。建立了H2/空气型燃料电池的动态数学模型,在内增湿情况下,考虑了阴极侧生成物水蒸气对燃料电池动态性能影响,并且包括水蒸气在阴极通道发生相变产生的潜热。其次,根据所建立的稳态数学模型,采用Matlab/Simulink建立了H2/空气型和H2/O2型质子交换膜燃料电池的仿真模型。通过仿真,分析了温度、压强、相对湿度对燃料电池性能的影响,并对比了两种类型电池的性能。仿真结果表明:提高燃料电池工作的温度和压强都可以改善电池输出性能,相对湿度对电池有重要影响,H2/O2型电池输出电压、功率以及效率均高于同条件下H2/空气型燃料电池。第三,根据所建立的动态数学模型,采用Matlab/Simulink建立了H2/空气型质子交换膜燃料电池的动态仿真模型。研究了质子交换膜燃料电池在电流密度发生阶跃动态变化时,燃料电池堆本体温度、阳极通道温度、阴极通道温度、两极通道压强、电压、功率、效率以及两通道入口、出口以及内部氢气、氧气、氮气、水的质量动态变化规律。仿真结果表明了,各量的响应过渡时间以及变化规律。并且为了控制燃料电池堆本体的温度,研究了冷却水流量阶跃动态变化过程中,对电池堆输出电压、功率、效率以及三部分温度、两极通道压强的影响及动态变化。最后,为了更详细的分析质子交换膜燃料电池的性能,经常采用偏微分方程来建立质子交换膜燃料电池的分布参数模型,用于仿真模拟及最优控制,由此导致计算速度降低。因此,针对带有约束条件的偏微分方程（PDE）模型的计算和最优控制的实时性要求和巨大的内存开销问题,提出了基于降阶模型的输入/状态约束的最优实时控制方法,以便于后续对质子交换膜燃料电池分布参数模型的研究。本文通过对质子交换膜燃料电池系统的建模、仿真研究,为电池系统的设计、运行、优化、控制提供了理论依据,具有一定的理论和实用意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池的种类
• 1.3 PEMFC 的工作原理及其系统结构
• 1.3.1 工作原理
• 1.3.2 系统结构
• 1.4 PEMFC 的建模研究综述
• 1.4.1 建模理论依据
• 1.4.2 建模方法概述
• 1.5 本文研究的主要目的和内容
• 2 PEMFC 数学建模
• 2.1 建模的基本假设条件
• 2.2 PEMFC 稳态模型的建立
• 2.2.1 电化学反应模型
• 2.2.2 反应物消耗速率与水的生成速率
• 2.2.3 燃料电池的功率
• 2.2.4 燃料电池的效率
• 2.3 PEMFC 动态数学模型的建立
• 2.3.1 电化学动态模型
• 2.3.2 传质、传热动态数学模型的建立
• 3 PEMFC 稳态仿真模型建立及结果分析
• 3.1 模块化设计
• 3.2 电池参数
• 3.3 PEMFC 稳态仿真模型的建立
• 3.4 仿真结果分析
• 3.4.1 模型验证
• 2/空气型和H₂/氧气型两种类型电池性能影响'>3.4.2 工作温度对H₂/空气型和H₂/氧气型两种类型电池性能影响
• 2/空气型和H₂/O₂ 型质子交换膜燃料电池性能影响'>3.4.3 压强对H₂/空气型和H₂/O₂型质子交换膜燃料电池性能影响
• 3.4.4 相对湿度对燃料电池性能影响
• 4 PEMFC 动态仿真模型建立及结果分析
• 4.1 动态仿真模块的建立
• 4.2 动态仿真模型参数
• 4.3 PEMFC 动态仿真模型的建立
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 热量分布
• 4.4.2 电流动态响应
• 4.4.3 冷却水阶跃响应
• 5 PDE 模型降阶及其最优控制
• 5.1 PDE 优化
• 5.2 一般PDE 模型的降阶方法
• 5.2.1 对流-扩散-反应过程
• 5.2.2 PDE 模型的时空离散
• 5.3 模型降阶
• 5.3.1 特征正交分解与奇异值分解
• 5.3.2 降阶模型
• 5.3.3 降阶模型的解
• 5.4 最优控制方法
• 5.4.1 全阶模型最优控制
• 5.4.2 基于降阶模型（r=30）最优控制
• 5.5 仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录