质子交换膜燃料电池发电系统建模、优化与控制

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1、上海交通大学博：b学位论文摘要质子交换膜燃料电池发电系统建模、优化与控制摘要近年来，对燃料电池技术的研究引起了广泛兴趣。在许多的商业领域，都有其应用前景，特别是目前在固定电源和移动电源应用上，取得了长足的进步。这项先进技术的可行性、有效性以及鲁棒性依赖于对燃料电池系统独有的瞬态特性有深入的了解、预测和控制。本论文着重从复杂系统建模、系统优化和控制进行阐述。为了改进质子交换膜燃料电池(PEMFC)的设计和性能，则必须对PEMFC电堆的电气性能进行深入的研究。由于PEMFC发电系统本身的复杂性，因此

2、很难获得PEMFC系统的动态模型。建立PEMFC电堆的动态模型是能否实现其动态控制不可回避的步骤。本论文主要研究工作和取得的创新成果如下：1)本文建立了一种PEMFC电堆的改进稳态参数模型，此模型是建立面向控制目的的PEMFC动态模型的基础，并利用此模型对电堆输出性能、影响电堆性能的主要操作变量以及电堆的非线性内阻进行了全面的评估。从仿真和测试结果来看，此模型能够全面有效的评估电堆的稳态性能。2)通常，由于机理模型令人生畏的复杂性，致使模型难以求解，因此，不得不在实际的应用中，对模型进行简化。但

3、是，由于在建模过程中，进行了假设和近似，因此不管是什么模型，PEMFC模型和实际的电堆性能必然有偏差。为了提高模型的精度，以便模型能够更好的反映真实上海交通大学博士学位论文摘要的PEMFC电堆性能，那么则需要对模型的参数进行优化。到目前为止，有关模型参数优化这方面的内容相当少，而且已有的电堆优化方法也说明得不够详细。本论文建立的改进电堆稳态模型既不是高阶模型也不是偏微分方程，因此适合进行工程优化。本文使用一种混合遗传算法(HGA)，结合电堆输出电压、负载需求电流，阴极和阳极的运行压力数据，对电堆

4、参数进行了优化和确定。计算结果与实验值非常吻合，表明优化参数后的PEMFC模型能够更好的用于PEMFC稳态性能的估计和研究，它比以往的PEMFC电堆稳态模型具有更广的适用性。使用HGA对PEMFC电堆在输出最大功率时，所对应的运行条件进行了优化分析。分析结果表明应该区分不同的工作压力区间考虑电堆输出的最大功率。在工作压力高压区，电堆的运行温度越高，电堆越能够提供最大功率；在工作压力低压区，在电堆提供最大功率的工作点，电堆的运行温度和电堆输出电流并不是最大。另外，文中提出了一种电堆优化设计方法，即

5、使用HGA，确定最优的电堆中单电池个数和质子交换膜的面积。结果对电堆设计具有指导意义，同时也表明HGA在电堆优化设计中的有效性。3)建立了PEMFC电堆的热传输模型。由于电堆反应生成热可被认为是电堆的功率损失，因此使得电堆的热模型和电输出特性模型能够结合成一个仿真模型。最后，通过对电堆热模型进行简化，成功建立了完整的电堆动态模型。4)利用T—S模糊模型辨识方法，在线对建立的电堆动态模型进行辨识，建立了电堆的动态模糊模型。此模型是PEMFC电堆控制中，基于模糊模型控制方法研究的基础。5)针对PEM

6、FC控制，设计了一种压力模糊控制器。仿真结果表明模上海交通大学博二}学位论文摘要糊控制器的性能要优于常规PID控制器，在PEMFC控制应用中，可以成为代替常规PID控制器的一种有效控制手段。关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC)，发电系统，改进遗传算法，参数优化，复杂系统建模，模糊辨识，模糊控制上海交通大学博：l：学位论文ABSTRACTMoDELLING，oPTIMIZATIoNANDCoNTRoLONPRoToNEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLGENERATIONSYSTE

7、MABSTRACTInrecentyearsagrowinginterestinthemelcelltechnoIogyhaseme唱ed．TherearemanyadVantagesinanumberofmarketareas，whicharecurrentlyunderintensivedevelopmentforbothstationaryandmobileapplications．Theviability，efjFiciency'androbustnessofthistechnology

8、dependonunderstanding，predictingandcontroUingtheuniquetransientbehaViorofthemelcellsystem．ComplexsystemmodeIing，systemoptimizationandcontrolofPEMFCsvstemarefocusedoninthisthesis．InordertoimprovethedesignandtheperfonnanceofaPEMFC，itisnecessarytocarryo