【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrance Fuel Cell,PEMFC）是一种新型电源系统,与其他电力系统相比,具有功率大、零污染和燃料利用率高等优势,广泛应用在交通动力系统、固定发电站等领域。在过去的数十年,质子交换膜燃料电池技术研究具有较大的成果,但仍有一些技术上的难题和挑战,如:冷启动、水热管理、交换膜的制备等。温度是影响PEMFC输出性能和电堆寿命的重要指标
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrance Fuel Cell,PEMFC）是一种新型电源系统,与其他电力系统相比,具有功率大、零污染和燃料利用率高等优势,广泛应用在交通动力系统、固定发电站等领域。在过去的数十年,质子交换膜燃料电池技术研究具有较大的成果,但仍有一些技术上的难题和挑战,如:冷启动、水热管理、交换膜的制备等。温度是影响PEMFC输出性能和电堆寿命的重要指标,合理的热管理技术能将电堆温度维持在最佳运行区间内,保证较高的燃料电池较高的输出效率和较长的使用寿命,因此热管理系统建模和控制策略的研究至关重要。本文从PEMFC的温度特性、系统模型和温度控制策略等国内外研究现状展开分析,找出相同点与不同点。同时介绍了PEMFC的结构与运行机理,基于以上研究建立燃料电池的动态模型并通过试验进行了模型可行性验证,通过对动态模型的仿真得出PEMFC的输出特性和温度特性并基于此特性对燃料电池热管理系统展开研究。针对PEMFC热管理系统,本文基于上海某科技能源有限公司PEMFC试验台架使用软件AMESim建立热管理系统一维仿真模型并进行了系统标定。通过测试台架试验对热管理系统一维模型进行验证,仿真值与试验值误差在5%以内符合设计要求,为后续策略的开发提供条件。热管理系统控制选用了恒定气水压差控制策略,气水压差值为0.2bar。该策略大大的减小了由耦合性造成的电堆输出性能下降等问题,并能提高温度的响应速度,使电堆温度更为均匀。采用执行器最小功耗的前馈控制方法融合PID或自适应模糊PID的控制方法调节循环水泵和散热器风扇的转速。最后组合出两种控制策略:气水压差控制策略不变,前馈+PID控制和前馈+自适应模糊PID。通过加入外部干扰,仿真测试两种组合策略的控制效果,前馈+自适应模糊PID不仅能使温度快速达到稳态,且具有较优的抗干扰能力。
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