质子交换膜燃料电池建模与控制研究进展

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1、2015年11月郑州大学学报(工学版)Nov．2015第36卷第6期JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Vol.36No.6文章编号:1671－6833(2015)06－0061－05质子交换膜燃料电池建模与控制研究进展CＲISALLEOscarDardo，韩闯，吴莉莉，支长义(郑州大学电气工程学院，河南郑州450001)摘要:针对质子交换膜燃料电池的建模与控制问题，概述了基于极化曲线和参数维度的经验模型和机理模型，分析了基于电化学反应、温度、压力等因素的电化学稳态模型和动态模型，介绍了基于神经网络辨识、群

2、集智能算法和支持向量机等的智能方法模型，对质子交换膜燃料电池的现有智能控制策略进行了总结，最后指出:利用群集智能算法同时优化质子交换膜燃料电池的模型参数和环境参数将是建模的一个发展方向，预测广义Hamilton理论等也可被尝试用于质子交换膜燃料电池建模的研究中，同时融合新算法的智能控制策略将成为质子交换膜燃料电池控制的研究趋势．关键词:质子交换膜燃料电池;建模;智能控制中图分类号:TP29;TM911．4文献标志码:Adoi:10．3969/j．issn．1671－6833．2015．06．012后和阴极的氧气和氢离子发生反应生成水．电极0引言［2］反应方程式如下:

3、+－近年来，新的清洁能源逐渐引起人们的重视．阳极2H2→4H+4e．(1)+－质子交换膜燃料电池因工作温度低、启动快、结构阴极O2+4H+4e→2H2O．(2)简单、无污染等优点，被尝试应用于混合动力汽总反应2H2+O2→2H2O+电能+热量．(3)车、可移动动力设备、混合能源系统和分布式发电温度和反应气体的压力是影响PEMFC性能［1］系统中，应用前景广阔，研究意义重大．笔者主的最主要因素．正是由于温度和压力对电池性能要探究质子交换膜燃料电池(ProtonExchange影响较大，PEMFC的建模方法才扩展至考虑温度MembraneFuelCell，PEMFC)在

4、建模和控制方面影响的热模型和考虑阴极阳极压力的动态模型;的研究进展，介绍了PEMFC的基本原理、组成结同时，反应气体的湿度、燃料利用率、电流密度等构和相关特性;综述了PEMFC建模和控制策略，对PEMFC的性能也有一定影响．包含经验模型、机理模型、稳态模型、动态模型和2PEMFC模型智能方法模型以及智能控制和组合控制策略;分析了各种思路、方法和技术的特点，展望了PEM-2．1经验模型FC建模与控制的研究趋势和发展方向．对于PEMFC的建模，最早是从基于电池电压和电流密度极化曲线的PEMFC经验模型研究1PEMFC简介［2］开始的．刘鹤在前人关于中小电流密度和大电PE

5、MFC由质子交换膜、电极、电催化剂、双极流密度极化曲线的基础上对PEMFC的经验模型板、流场通道等构件组成．PEMFC具有阴极和阳做了改进，并用SIMULINK仿真验证了改进的经极两个电极，分别为氧化剂和燃料的临时寄存场验模型能够较好地反应PEMFC电流密度和电压所，氢气由燃料电池的阳极流道进入，在催化剂作的关系．而经验模型是基于电池电压和电流密度用下发生反应，生成氢离子和电子，氢离子经由质极化曲线建立的，未对燃料电池内部的具体参数子交换膜到达阴极，电子经过外电路流向阴极，然进行分析，所以经验模型不适合具体分析燃料电收稿日期:2015－05－30;修订日期:2015

6、－08－06基金项目:国家自然科学基金资助项目(61473266)作者简介:CＲISALLEOscarDardo(1958—)，男，美国盖恩斯维尔人，郑州大学特聘教授，博士，博士生导师，主要从事燃料电池的设计与优化运行等研究．通信作者:韩闯(1991—)，男，河南驻马店人，郑州大学硕士研究生，E-mail:zdhhan@126．com．62郑州大学学报(工学版)2015年池的模型．2．4．1电化学动态模型2．2机理模型上述研究中电化学稳态模型并未考虑燃料电为了反映PEMFC的内部特性、传递现象，研池状态变化的过程性，而实际反应过程中外电路究者提出基于空间维数变量划分

7、的一维、二维、三负载或系统输入发生变化时，PEMFC的两极分别维分布参数机理模型．聚集通过薄膜流入的氢离子和未通过薄膜暂时不一维数学模型结构简单、建模方便，但由于维能通过外电路的电子，就形成了双层电荷效应，这数限制只能模拟简单的电池结构，因此，不能揭示种特性和电容十分类似．基于这个过程建立电化［3］［9］PEMFC内部结构本质．其中，Kulikovsky考虑水学动态模型的特性方程为热和蒸汽传输等物理化学过程建立了一维稳态模dVactiVact=－．(5)型．二维模型则在一维模型的基础上考虑电池内dtcＲactC部的水热管理问题．基于此模型考虑不同的条件式中:Ｒa