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《武汉理工大学》 2007年
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PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究

徐腊梅  
【摘要】: 质子交换膜(PEM:Proton Exchange Membrane)燃料电池能量转换效率高,环境友好,可室温快速启动,已成为燃料电池研究中的主流。到目前为止,国内外已对电池的特性进行了大量的研究探索,但已有工作主要是研究电池的稳态性能,对电池的动态特性研究不多。燃料电池研究涉及流体力学、传热、传质、热力学、电化学等众多学科分支,因此PEM燃料电池动态特性研究对于了解其运行机理、优化电池结构以及系统控制非常重要。本文采用计算机模拟的方法来进行电池的动态特性研究,分别基于分布参数模型、集总参数模型、基于神经网络的辨识方法进行PEM燃料电池的建模与动态仿真,并进行对比分析。 文章首先研究基于分布参数模型的PEM燃料电池动态特性仿真。以PEM燃料电池基本方程、催化层中的电化学反应方程为基础,利用Fluent中的非稳态求解器,研究一单流道单电池三维模型,当电流密度阶跃上升、电流密度阶跃下降、电流密度突升和突降以及电流密度阶梯状上升时,电池输出电压的动态响应。仿真结果表明:当电流密度发生变化时,电压立刻响应,大约3秒即可稳定。 其次,探讨了基于集总参数模型的PEM燃料电池动态特性仿真。文中给出了PEM燃料电池的集总参数模型,仿真工具采用MATLAB/Simulink。Simulink是MATLAB软件用于动态系统建模与仿真的软件包,它不需要编程,只需模块搭建,所以建模方便,仿真迅速。基于PEM燃料电池集总参数模型,研究当负载启动、停止、阶跃变化时,电池(堆)的输出电压、输出功率、消耗功率、温度、效率等的动态响应,并将仿真结果与实验进行了对比,结果基本一致。 基于PEM燃料电池的分布参数模型和集总参数模型都能进行PEM燃料电池的动态特性研究,分布参数模型不仅与时间有关,还与空间有关,而集总参数模型只与时间有关。文章分别基于这两种模型,采用Fluent和Simulink两种不同软件对相同问题进行仿真比较,操作条件及仿真参数相同,分析仿真结果。得出结论:基于PEM燃料电池的分布参数模型和集总参数模型均可以进行PEM燃料电池的动态特性仿真,但各有其适用范围,分布参数模型与空间有关,考虑到电池的物性参数,其动态特性研究对于优化电池结构、改善电池特性很有帮助;集总参数模型仅与时间有关,采用软件MATLAB/Simulink建模方便,仿真迅速,非常适合于单电池或电堆系统的仿真研究,对单电池或电堆系统的优化控制提供帮助。 PEM燃料电池具有非线性、滞后和不确定性的特点,近些年迅速发展的神经网络具有快速并行处理能力和自学习能力,在非线性系统的建模与辨识中体现了很大的优越性。作者尝试基于实验数据,采用神经网络的建模方法进行燃料电池的动态建模与仿真。文章分析了神经网络非线性系统辨识的原理,确定采用时延BP神经网络进行PEM燃料电池的动态建模与仿真。对学习样本进行了归一化,输入量为阳极氢气的压力、流量、阴极氧气的压力、流量、电池的电流密度,输出量为电池电压,在确定隐层数及隐层结点数后,采用MATLAB的神经网络工具箱进行了编程与仿真,模型输出与实际输出基本吻合,表明所建模型是有效的。本模型视电池为“黑箱”,只利用输入输出数据,建模简单,对于后续的燃料电池的神经网络控制提供模型基础。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.4

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