探索质子交换膜燃料电池电堆的建模与控制研究

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1、上海交通大学博士学位论文质子交换膜燃料电池电堆的建模与控制研究姓名：卫东申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：曹广益20040601上海交通大学博士学位论文质子交换膜燃料电池电堆的建模与控制研究摘要由于资源的迅速消耗环境的严重污染燃料电池以无污染高效率的特性迅速成为二十一世纪解决能源问题的首选课题质子交换膜燃料电池除具有燃料电池一般的特点外同时还具有室温快速启动无腐蚀装置轻便机动性强等特点特别适用于建设分散电站(如小区电站家庭电源等)以及可移动动力源(如电动汽车潜艇等)是军民通用的新型电源,也是

2、商业化前景最好的燃料电池自九十年代以来美日欧重点发展该新技术也是我国九五十五期间重点支持的高新技术近年来人们对质子交换膜燃料电池PEMFC的研究取得了重大的进展在单电池内部机理研究方面建立了从一维不等温到三维不等温不等压多种模型清晰地描述了PEMFC工作过程中气体扩散热量传递液态水迁移等微观行为在结构研究方面着重更合理地设计流场优化气流分布提高电池性能材料方面侧重于双极板和质子交换膜材料的研究以降低电池成本提高电池的使用寿命市场方面主要是集中在车用动力电源和小区电源的研究上但在PEMFC电堆建模与控制方面发表

3、的文章还很少而且控制方法主要为传统的PID和模糊控制本文首先应用三大守恒定律系统地建立了kW级PEMFC电堆的三维动态模型并通过简化得到电堆温度的机理模型同时针对PEMFC电堆的输出电气性能和使用寿命很大程度上取决于电堆的操作温度这一问题利用专家经验和实验数据基于自适应神经模糊技术建立了电堆操作温度辨识模型结合电堆机理模型和辨识模型提出了两种智能控制方案并进行了仿真和实验最后对两种控制系统的控制性能进行了比较本文的具体成果主要包括*基于质量动量和能量守恒定律首次系统而完整地建立了kW级PEMFC电堆的三维动态

4、数学模型根据电堆发电过程中的物质与电量平衡条件建立了由一组偏微分方程和积分方程描述的PEMFC电堆的动态电气特性模型在考虑有效阻抗对电池输出特性的影响下从单电池推及电堆全面地对电堆输出电压电流密度燃料气体利用率之间的关系进行了理论分析所建立的模型为设计电堆控制系统和电堆模型的简化与应用打下基础I上海交通大学博士学位论文*通过对所建立的三维动态电堆模型的简化得到PEMFC电堆的温度压力气体流速和质量分率简化模型首次提出由于换热系数传热系数的变化造成电堆中单电池单电池组件之间的温度不均匀提出了一种改进的遗传算法对

5、模型中10个与换热系数和传热系数有关的关键参数进行辨识和优化以解决由于模型简化和参数的不准确而造成的模型精度降低问题并通过数值测试证明了改进遗传算法比简单遗传算法有着更快的收敛速度和更高的精度所作的仿真实验验证了模型的可靠性为设计基于电堆机理模型的变结构控制系统奠定了理论基础*利用来自专家的经验和实验数据建立了基于自适应神经模糊技术的电堆操作温度的辨识模型并基于此模型提出一种改进的自适应神经模糊控制算法结合最邻聚类算法解决了模糊规则无法涵盖模糊输入变化空间时造成的控制性能下降问题同时又利用神经网络自学习算法加

6、强系统的自适应能力与非线性PID和传统模糊控制算法相比仿真和实验结果验证了所设计控制系统的优良性能*根据电堆温度机理模型我们提出了变结构控制系统设计方案快速平滑趋近律和快速收敛滑动模态被设计用来削弱抖振对系统的影响并采用输入/输出线性化方法来解决系统中的摄动非匹配问题从理论上证明了所设计系统的鲁棒性和稳定性仿真实验验证了变结构控制系统良好的性能最后根据两种控制系统的方法设计过程和仿真实验结果考虑不同应用方向从进入稳定状态时间超调量等性能指标方面详细地比较了它们的优缺点关键词质子交换膜燃料电池电堆操作温度自适应

7、神经模糊推理系统改进遗传算法自适应神经模糊控制变结构控制II上海交通大学博士学位论文STUDYOFMODELINGANDCONTROLFORPROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLSTACKABSTACTBecauseresourceisconsumedrapidlyandenvironmentispollutedseriously,fuelcellswithhighefficiencyandnon-pollutionhavebecomeoneoftheimportantthsolutio

8、n,whichsolveenergycrisisin21century.ProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC)possessesthecharacterssuchasfaststartup,non-corrosion,goodflexibility,etc,exceptthecommoncharactersoffuelcells.Itissuitableforbu