在当前石油、天然气、煤等燃料紧张,电力供应不足,城市污染严重的情况下,燃料电池已经成为全球能源领域开发的热点。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能和热能的电化学装置,且没有中间的燃烧步骤。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)由于具有功率密度高,能量转换率高、无污染、无噪音、低温条件下快速启动和可以实现零排放等优点,可作为便携式电子产品的移动电源,也可应用于中小型集中供电或分散式供电系统中,被称为21世纪的绿色环保能源,极具开发潜力和应用前景,是今后商业化前景最好的燃料电池。目前,PEMFC受到世界范围各国政府、研究机构和企业的重视,被列入未来世界十大科技之首。本论文是中国昆明理工大学和澳大利亚悉尼科技大学联合开发项目"PEMFC燃料电池的建模和控制研究”的主要部分。本论文研究的主要目的是为了提高PEMFC的输出特性,基于对PEMFC进行动态输出特性模型、动态气体传输模型、动态热传输模型和质子交换膜的水传输模型研究,提出有效的防止电池因控制因素导致性能衰减或失效的综合智能协调控制策略,并将PEMFC发电系统集成于不间断电源(UPS)中,作为移动电源系统及其产品开发。本论文的研究内容是在PEMFC输出特性影响因素的深入分析的基础上,对PEMFC热力学、反应动力学、质量与电荷传输、建模与控制和电池性能评价等方面进行理论研究,以及对PEMFC和UPS特性和模型参数的测量进行实验研究。由于PEMFC的输出性能依赖许多参数和因素,如氢气和氧气／空气的压力和流量、膜的温度和湿度以及化学计量比等等,所以,为了得到较好的PEMFC发电系统输出性能和温度特性,一些智能控制算法,如模糊控制、神经网络控制、预测控制和滑模变结构控制等,通过物理实现、实验测试和数字仿真等进行混合PEMFC-UPS电源系统的应用研究和试验。特别是将提出的综合智能协调控制策略应用于变化负载下的混合PEMFC-UPS电源系统中,通过相关实验研究,获得了满意的控制效果,具有一定的理论和应用价值。本论文的研究方法是首先设计开发了适用于千瓦级的PEMFC发电系统和UPS电源系统,作为混合PEMFC-UPS电源系统的实验装置。其次,分析了影响PEMFC输出特性的参数和因素,进行了影响因素分类研究,并提出了其输出性能的评价方法。然后,基于PEMFC发电系统的动态输出特性模型,为提高PEMFC输出特性和防止电池失效,提出了综合智能协调控制策略。另外,基于不精确的PEMFC动态热传输模型,进行了模糊自适应滑模变结构PEMFC温度控制和基于径向基(RBF)神经网络的模糊预测PEMFC温度控制的仿真实验研究。最后,实验和仿真结果验证了上述控制研究的可行性和正确性。本论文的主要工作和研究结果为：首先,基于采用成熟技术和产品开发形式的研究思想,设计了可用于千瓦级的PEMFC发电系统和UPS电源系统,组成了混合PEMFC-UPS电源系统实验装置,包括PEMFC、蓄电池(或超级电容器)、AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和AC/DC充电器。为了降低成本,PEMFC选用自加湿式的空气冷却燃料电池,避免了PEMFC加湿系统的使用。设计的AC/DC整流器具有功率因数校正功能,减弱了由于整流滤波电路产生的谐波电流,提高了输入功率因数,可达到0.97以上,输入电流波形失真度(THD)小于5%。设计的DC/DC变换器选用推挽电路,其拓扑结构简单,与半桥电路和全桥电路相比,具有开关功率损耗较小,输出电压稳定和软启动等功能。设计的DC/AC逆变器,采用数字信号处理器(DSP) TMS320F240系列,实现了实时的数字控制,高速处理,对混合PEMFC-UPS电源系统实施智能网络化监控等功能。实验测试结果表明,设计的UPS电源系统的功率变换器是合理的和低成本。同时,实施的DC/AC逆变器的无差拍电压控制,明显地改善了UPS电源系统的输出电压波形失真度。第二,根据燃料电池控制机理和实验测试,研究了PEMFC运行过程中影响输出特性的因素和参数。根据对PEMFC的基本工作原理、关键技术、结构型式、材料选择、商品化进程以及在各个领域的应用过程进行全面分析结果,将PEMFC输出特性的影响参数和因素分为两大类：一类为控制参数,即对PEMFC输出特性的影响起直接作用的参数；另一类为非控制参数,即对PEMFC输出特性的影响起间接作用的参数,包括模型参数、物质传递参数、结构参数和材料参数等。而且,论文介绍了PEMFC的输出特性方程和模型,并提出了一种PEMFC输出特性的评价方法,通过稳态性能指标下的电流密度范围D和输出电压静差率S这两个指标可简单且方便地评价PEMFC的输出特性。第三,基于PEMFC的动态输出特性模型、动态气体传输模型、动态热传输模型和膜的水传输模型,为了提高PEMFC输出特性和防止电池失效,提出了混合PEMFC-UPS电源系统中的PEMFC发电系统的综合智能协调控制策略。当负载大幅度变化、尾气定时排放、电流中断在线测量膜的内电阻时,为了防止负载变化或压力变化造成的膜电极的泄漏和电堆的失效,采用智能专家控制策略,控制PEMFC和蓄电池之间的功率输出切换；为了防止发生燃料和空气缺失造成电堆的损坏,采用常规的PID控制策略,控制氢气燃料和空气的流量和压力；为了防止膜失水造成膜的热点击穿而损坏电堆,采用模糊自适应控制策略,控制电堆的温度。另外,设计的智能故障诊断专家系统辅助监测氢气燃料的流量和压力,电堆的温度、电流、电压以及膜的内阻等参数,并通过实验研究验证了提出的综合智能协调控制策略的可行性和正确性。第四,针对PEMFC动态热传输模型建立过程中存在的不精确性问题,为了提高PEMFC温度特性,应用了模糊自适应滑模变结构非线性控制算法控制电堆温度,并用MATLAB/SIMULINK工具和软件进行了仿真实验研究。引入模糊自适应控制算法,实现滑模切换控制中的切换速率和滑模等效控制中的反馈增益的自适应调节,减弱了滑模变结构系统引起的抖振影响,并维持了PEMFC运行过程的稳定性和动态性能。仿真实验结果表明,应用的控制算法既保持了滑模变结构控制的鲁棒性,又具有响应速度快、超调小、无静态误差等优点。最后,应用基于径向基(RBF)神经网络模糊预测控制算法进行了PEMFC温度控制的仿真实验研究。利用RBF神经网络进行了PEMFC温度模型的辨识,并采用模糊自适应的多步推理和性能测量方法计算性能评价指标,用模糊预测控制算法实施PEMFC的温度控制。因为通过对未来系统输出量的预测能达到对复杂过程的有效控制,所以,对PEMFC这样的非线性被控对象能获得较好的控制效果。应用MATLAB/SIMULINK软件的仿真实验结果表明,应用的控制方法能有效地实现PEMFC非线性系统的优化控制。