直接甲醇燃料电池长期稳定运行的自适应调控策略研究

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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)作为最环保最高效的燃料电池技术之一,具有高能量、无污染环境、安全性好、结构简单及易储存等优点,在电动车、军工及通信等领域具有非常广阔的发展前景。尤其是在在商业化道路可实现利益最大化,但存在甲醇穿透、极化现象和催化剂性能下降等因素影响着DMFC的性能,同时因DMFC长期运行带来的电压偏差和性能衰减严重的阻碍了其商业化的进程。目前已有研究工作者通过改变运行参数对DMFC长期运行中某一点的性能补偿进行研究,但并没有开展对DMFC长期运行中某一工作区间内的性能补偿进行研究。本文基于由点变化到线的研究思想,提出长期稳定运行自适应调控策略,该策略通过减少电压偏差以提高电压稳定性进而实现电池长期稳定运行。本文针对此问题进行了系统的研究。(1)在实验目的的基础上搭建一个能对多运行参数可实时调控并对结果可实时监测的DMFC性能测试平台,由DMFC由单电池系统、三大输入系统和三大输出系统构成。空气供给系统、甲醇供给系统和温度调节控制构成三大输入系统;二氧化碳浓度监测系统、负载控制系统和电化学工作站测试系统构成三大输出系统。其中利用极化曲线、功率密度曲线及能量转化效率三者对DMFC性能进行表征。依据实验数据结果表明,DMFC的性能变化呈现阶段性的下降,在长时间的运行下性能下降明显,短时间内性能下降低。(2)采用元模型建模方法,建立起DMFC性能衰减与运行时间两者之间的变化关系,并在结果的基础上采用判定系数R2作为评价指标,对自检法和留一检测法进行寻优,挑选出最佳元模型。结果表明,该模型可以很好的表示DMFC性能衰减与运行时间的关系并且可以对未来时间内对性能衰减程度进行预测,为提出长期稳定运行调控策略奠定了基础。(3)提出DMFC长期稳定运行自适应调控策略,并对不同时间段进行模型预测并开展实验验证。结果表明,本文提出的调控策略具备一定的合理性和可行性,可以针对DMFC不同程度的衰减进行模型预测并给出运行参数,通过调节运行参数而减少电压偏差,可实现DMFC长期稳定运行。通过直接甲醇燃料电池性能测试平台进行130小时的衰减实验并获得实验数据建立DMFC性能衰减与运行时间两者间的元模型;提出长期稳定运行自适应调控策略并进行实验验证。该策略有助于更好的控制DMFC系统的输出电压。
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