【摘 要】
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氢燃料电池特别是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）是一种在常温下就能使氢能转化为电能的新型清洁动力装置,相比于传统的内燃机具有更高的能量转换效率和能量密度,且不受卡诺循环的限制。燃料电池系统总成主要由电堆及其子系统组成,燃料电池子系统中包含气体燃料供给系统、水管理子系统及热管理子系统等,其中作为核心子系统之一的空气供给系统和热管理
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氢燃料电池特别是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）是一种在常温下就能使氢能转化为电能的新型清洁动力装置,相比于传统的内燃机具有更高的能量转换效率和能量密度,且不受卡诺循环的限制。燃料电池系统总成主要由电堆及其子系统组成,燃料电池子系统中包含气体燃料供给系统、水管理子系统及热管理子系统等,其中作为核心子系统之一的空气供给系统和热管理子系统对燃料电池工作性能和使用寿命具有至关重要的影响。因此,本文的主要研究工作围绕燃料电池系统总成分析及两个核心子系统空气供给系统和热管理子系统的控制优化展开。1、基于燃料电池电化学反应机理及各部分功能特点,将燃料电池划分为多个子系统,并在CRUISE M仿真平台分模块搭建了各子系统的仿真模型,将各子系统与电堆连接组成燃料电池系统总成,通过仿真分析提出了对空气供给系统和热管理子系统进行控制优化的设想。2、根据PEMFC空气供给系统的部件组成,建立了面向控制的空气供给系统的数学模型,在此基础上提出了将PEMFC阴极过氧比控制在最佳过氧比的控制目标。为此,结合建立的空气供给系统模型和李雅普诺夫稳定性原理,设计了过氧比鲁棒跟踪控制器,并在仿真平台进行数值仿真试验,验证所设计的控制器的有效性。3、通过对燃料电池电堆产放热分析,提出将电堆温度控制在最佳工作温度区间以保证其工作性能。为此,本文尽可能减少外界扰动对电堆工作温度的影响,设计了自抗扰温度控制器将电堆温度控制在343K。并在此基础上结合模糊控制算法,设计了模糊自抗扰复合控制器进行控制优化,最后在数值仿真平台给出了所设计控制器的有效性验证。基于以上研究,本文在仿真层面对氢燃料电池的各部分组成及工作性能进行了分析,同时对空气供给系统和热管理子系统提出了两种不同的控制算法提高了阴极过氧比和电堆温度的控制精度。本文所进行的研究工作,对于加强对PEMFC系统总成的了解和提高其子系统工作性能提供了理论研究方法,具有一定的指导意义和参考价值。
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