基于物质循环的氢燃料电池系统耦合机理及控制方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51576113
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

It is a research hotspot of a highly efficient and long working lifetime proton electrolyte membrane (PEM) fuel cell system, which is an ideal power source for a future vehicle. A novel fuel cell system with a gas recycling mechanism can fully utilize water and heat that are generated by electro-chemical reactions inside the stack. Fresh hydrogen and air can be heated and humidified by recycled gases, and the outside humidifier is no longer required. By removing the humidifier, system efficiency, cold-start ability as well as system durability can be improved. However, sub-systems of such a fuel cell system are strongly coupled, and the control strategy becomes a challenging problem. This project will focus on the dynamic modeling and control of a fuel cell system with a gas recycling mechanism both for the cathode and anode. (1) A 0D+1D+1D multi-physical coupling model will be built up, and the full-order, reduced-order, analytical and error models will be deduced based on spatial discretization method, Hankel singular value, Adomian decomposition method and matrix polytope method. (2) A highly accurate states observation algorithm will be developed for inner states such as pressures of oxygen, hydrogen, nitrogen and vapor, temperature and humidity, as well as liquid water content in the gas diffusion layers of both the two sides. (3) A multi-objective robust adaptive control strategy will be proposed for four typical operation statuses, e.g. starting up, shutting down, diagnosis (typically for water flooding and membrane drying) and normal operation. Functions like intelligent start-stops, diagnosis, passive/active tolerant controls and self-humidified operation will be realized. By doing research on the three aspects, the mechanism of the novel fuel cell system will be explained, and the ultimate performances in efficiency and durability will be exploited. This project belongs to the multi-discipline domain of new energy power sources, control theory applications and electric-mechanic-thermal coupling systems. Research outcomes will provide theoretical guidance for the engineering design of fuel cell systems, which has important significance in promoting the development of fuel cell electric vehicles.
高效长寿命质子交换膜燃料电池系统,是未来交通运载工具的理想动力源,也是当前研究热点。采用氢气、空气循环结构的燃料电池系统可实现内部水分自平衡,有利于简化结构、提高效率、延长寿命,但系统耦合程度高、控制复杂。本项目拟针对此类燃料电池系统,(1)建立0D+1D+1D多物理场耦合机理模型,推导全阶、降阶、解析和误差模型,解释系统动态机理;(2)围绕内部气体(氧气、氢气、氮气、水蒸气等)的压强、温度、湿度,以及气体扩散层中的液态水含量等状态,研究高精度状态观测算法;(3)针对启动、工作、停机、故障等四个运行状态,研究多目标鲁棒自适应控制策略,实现智能启停、故障诊断、主/被动容错控制和自增湿运行等功能。通过上述工作,阐述系统工作机理,探究效率/寿命的极限性能。本项目属于新能源热-电耦合系统设计和控制交叉领域,研究结果将为燃料电池系统工程化设计提供理论指导,对促进行业发展具有重要意义。

结项摘要

高效长寿命质子交换膜燃料电池系统,是未来交通运载工具的理想动力源,也是行业热点。在本项目支持下,课题组针对具备氢气、空气双循环结构的新型燃料电池系统开展研究,包括如下方面:1)氢燃料电池降维动态机理模型及其验证;2)基于交流阻抗和外围传感器信息的状态观测;3)全工况氢-空-水-热鲁棒控制策略。通过该课题,建立了氢燃料电池降维动态机理模型(包括普通工况模型、非对称充排水动态模型、零下低温启动过程动态模型等),发明了多点气体采样系统,形成了燃料电池系统动态模型(误差在5%以内)。突破了燃料电池中高频交流阻抗高精度在线测试技术瓶颈,实现了中高频交流阻抗在线辨识,误差不超过2%(某些工况下最高可达到0.3%)。提出了基于交流阻抗和多传感器融合的燃料电池状态辨识算法,实现了空/氢侧气体压力、电堆温度、膜电极GDL液态水饱和度等内部状态变量的在线观测算法,稳态误差不超过5%。发明了燃料电池双循环系统构型,建立了双循环燃料电池系统氢-空-水-热-电协调控制体系,动态工况下流量控制误差降低一半(从5~10%到2~3%),氢气压力波动降低一个数量级(从20~30kPa到2~3kPa)。针对北方极寒环境下的燃料电池冷启动问题,建立了一维冷启动多相转化机理模型,提出了低温冷启动最优加载策略、燃料电池最优停机吹扫策略与最小能耗启动策略,实现了-30℃环境2.5min快速启动。相关技术应用于电堆和燃料电池系统设计,电堆额定功率指标达到2.2kW/L,超过丰田首款燃料电池汽车Mirai 1.8kW/L;电堆测试寿命从600小时大幅提升到5000小时,台架加速寿命实验达到10000h以上,实车寿命预计超10000小时;系统净输出功率超过100kW。课题成果向北京亿华通公司转化,获得了全球首个100台级燃料电池商用车订单,完成公交、物流、有轨列车等多款车型开发。课题培养博士生6名,硕士生4名,博士后1名,工程师1名;发表SCI论文37篇、EI论文8篇、中文核心期刊论文1篇;两篇ESI高被引;一篇国际会议论文二等奖。申请/授权发明专利11项(包括1项美国发明专利),获得软件著作权4项。获得2019年“汽车工业科技进步一等奖”(负责人排第三),并获得日本丰田公司三年1500W的经费支持,用于继续开展面向燃料电池耐久性的系统研究。研究成果为在清华大学车辆学院建立燃料电池动力学科体系奠定了基础。

项目成果

期刊论文数量(40)
专著数量(1)
科研奖励数量(9)
会议论文数量(6)
专利数量(11)
A new approach to online AC impedance measurement at high frequency of PEM fuel cell stack
质子交换膜燃料电池堆高频在线交流阻抗测量的新方法
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2017.06.035
  • 发表时间:
    2017-07-27
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Hong, Po;Xu, Liangfei;Ouyang, Minggao
  • 通讯作者:
    Ouyang, Minggao
Modeling of membrane electrode assembly of PEM fuel cell to analyze voltage losses inside
对 PEM 燃料电池膜电极组件进行建模以分析内部电压损失
  • DOI:
    10.1016/j.energy.2017.07.163
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Energy
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Hong Po;Xu Liangfei;Li Jianqiu;Ouyang Minggao
  • 通讯作者:
    Ouyang Minggao
Performance prediction of plate-fin radiator for low temperature preheating system of proton exchange membrane fuel cells using CFD simulation
基于CFD模拟的质子交换膜燃料电池低温预热系统板翅式散热器性能预测
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2017.07.210
  • 发表时间:
    2017-09
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Zhang Qinguo;Xu Liangfei;Li Jianqiu;Ouyang Minggao
  • 通讯作者:
    Ouyang Minggao
Modeling and Experiment Validation of the DC/DC Converter for Online AC Impedance Identification of the Lithium-Ion Battery
用于锂离子电池交流阻抗在线识别的 DC/DC 转换器的建模和实验验证
  • DOI:
    10.4271/2017-01-1198
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    SAE INTERNATIONAL JOURNAL OF ALTERNATIVE POWERTRAINS
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Hong Po;Jiang Hongliang;Li Jian Qiu;Xu Liangfei;Ouyang Minggao
  • 通讯作者:
    Ouyang Minggao
Comprehensive analysis of galvanostatic charge method for fuel cell degradation diagnosis
燃料电池退化诊断恒电流充电法综合分析
  • DOI:
    10.1016/j.apenergy.2018.01.005
  • 发表时间:
    2018-02-15
  • 期刊:
    APPLIED ENERGY
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Hu, Zunyan;Xu, Liangfei;Jiang, Hongliang
  • 通讯作者:
    Jiang, Hongliang

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其他文献

车载网络通讯协议Flexray网络的分析及搭建
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    --
  • 发表时间:
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  • 作者:
    帅志斌;李建秋;徐梁飞;欧阳明高
  • 通讯作者:
    欧阳明高
非理想车载网络状况下四轮独立电驱动车辆的动力学控制
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    汽车工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    帅志斌;李建秋;徐梁飞;欧阳明高
  • 通讯作者:
    欧阳明高
一种多功能燃料电池堆实验台的研发
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    汽车工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    方川;黄海燕;徐梁飞;李建秋;洪坡;江宏亮;赵兴旺;胡尊严
  • 通讯作者:
    胡尊严
大活性面积燃料电池多通道气体在线采样系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    实验技术与管理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    方川;徐梁飞;黄海燕;李建秋;洪坡;江宏亮;赵兴旺;胡尊严
  • 通讯作者:
    胡尊严

其他文献

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徐梁飞的其他基金

车用质子交换膜燃料电池动力系统
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    120 万元
  • 项目类别:
    优秀青年科学基金项目
面向车用燃料电池耐久性的网络分层控制研究
  • 批准号:
    61004075
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  • 项目类别:
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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