质子交换膜燃料电池建模与控制研究

质子交换膜燃料电池建模与控制研究

【摘要】： 燃料电池是新能源研究领域的热点,其高效、洁净的特性符合人们对于未来动力来源的要求,其相关研究主要集中于模型的建立与对子系统的控制,这对于提高燃料电池的发电效率以及延长使用寿命至关重要,目前国内相关研究多还处于实验室阶段,特别是控制方面还有许多问题亟需解决。本文研究对象为质子交换膜燃料电池,主要包含进气系统、热管理系统、水管理系统和能源管理系统,此外,电堆是发生电化学反应的发电场所,电堆的输出电压建模是系统控制的基础,本文在简介燃料电池的发展背景、分类和基本结构的基础上,主要开展了以下几个方面的研究:(1)在电堆输出电压方面,从质子交换膜燃料电池的机理出发,通过电化学的热力学、动力学分析,结合经验公式,给出一种表达式较为简洁的电堆输出电压的半经验机理模型,在对表达式进行分析后,做了一些变形得到了包含辨识参数的线性化方程,针对方程中的几个未知参数,加入最小二乘方法,为了充分利用样本,通过相关性分析确定了采用线性回归最小二乘法进行参数辨识,对辨识结果进行分析后发现,该模型能够很好的拟合样本数据,泛化性较好。(2)质子交换膜燃料电池的进气系统,包括相关的辅助组件。介绍了流道、空压机、管道气体、冷却、加湿和歧管等,建立了进气系统辅助组建模型,分析了阴极和阳极的各组分气体之间的关系,建立了阴阳极气体在歧管进出口的传输模型,以及质子交换膜的水化模型。(3)针对燃料电池的进气系统,选择阀门作为控制对象并建立了计算模型,引入模糊算法,确定模糊集、隶属度函数和模糊控制规则,设计了模糊控制器对模型进行了优化控制,并用Simulink进行仿真,结果验证了建模与控制优化的有效性。

【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019

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