燃料电池以无污染、高效率的特性迅速成为二十一世纪解决能源问题的重要课题。质子交换膜燃料电池除具有燃料电池一般的特点外，同时还具有室温快速启动、无腐蚀、装置轻便、机动性强等特点，特别适用于建设分散电站(如小区热电联供等)以及移动电源(如燃料电池电动汽车、野战通信电源等)，是军民通用的新型电源，也是商业化前景很好的燃料电池。因此越来越受到世人的瞩目。目前对它的研究正是如火如荼。论文的研究课题就是在此背景下提出的。 随着PEMFC技术的不断成熟和大规模商业化，在运行过程中，PEMFC系统的发电性能需要得到提高和有力的保证。目前国内外对PEMFC性能的研究主要集中在机理模型、结构和材料等方面。除此之外，我们还需着重从控制方案设计等方面着手。电堆的可靠性、安全性需要通过高性能控制系统得以保证，控制的目的在于：保证电堆在负载波动下情况下，温度和气压保持稳定，电池的输出性能有良好的工作曲线(电压—电流密度曲线)；并维持其在安全可靠、高效的环境中运行，延长电池的使用寿命。而这方面是当前国内外PEMFC研究的一大薄弱环节，因此，在PEMFC的建模和控制研究方面，还有很多工作需要深入研究。 本课题是上海交通大学燃料电池研究所正在进行的“985工程”项目“千瓦级PEMFC电堆发电系统的研制”课题的一部分。首先，根据实验测试和燃料电池机理建立了PEMFC电堆的电特性模型，分析了影响电池输出性能的相关参数。然后将影响电堆输出性能的运行参数放在电池发电系统中考虑，并从节能的角度出发，分析了系统运行在最优情况下的运行参数值。最后，为了保证发电系统运行在最优情况下，提出了两种PEMFC系统的模型预测控制方案，并根据仿真实验结果，对两种模型预测控制器进了可行性分析和性能比较。 本论文的主要工作包括： 1.根据实验测试和燃料电池机理建立了PEMFC电堆的电特性模型。深入研究了PEMFC系统运行过程中电堆输出性能与电特性模型参数的关系及运行参数对电池输出性能的影响。影响PEMFC输出性能的因素包括1)：电池输出特性的参变量；2)：运行参数；3)：材料参数。重点考虑了电池系统运行过程中运行参数—氧气化学计算量(氧气利用率)对电池输出特性的影响，并进行了定量分析。研究结果为PEMFC系统的设计和动态分析打下基础。 2.利用专家经验和实验数据，搭建了PEMFC发电系统的仿真模型，对系统进行了动静态分析。为保证系统运行在最佳操作温度下，设计了一种基于在线模糊建模和离散优化的非线性预测控制算法控制PEMFC电堆工作温度，仿真实验结果验证了该算法的良好性能。从节能的角度出发，根据整个系统的发电效能，设计了基于优值域的改进遗传算法对系统运行参数一氧气化学计算量进行寻优，寻优的结果与前面进行电特性分析的结果是相吻合的，为系统的最优运行控制打下了理论基础。 3.对阴极氧气化学计算量等参数进行了模型辨识和智能控制。建立了两种形式的阴极氧气化学计算量模型：基于T-S模型和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的辨识模型。首先基于T-S模型分别给出了两种不同的非线性控制策略：1)第一种控制策略，直接基于非线性T-S模糊模型，使用分支定界优化方法搜索最优控制序列(NMPCB&B)；2).第二种控制策略，也是基于非线性T-S模糊模型，在系统运行的每个采样周期，将T-S模糊模型局部动态线性化，从而得到系统的线性输入/输出关系，并用广义预测控制策略实现被控对象的预测控制(LDLMPC)。然后，比较了两种控制算法的特点，结果表明LDCGPC在计算方面有很强的优势；最后，给出了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的建模算法，与第一种建模算法进行了比较，结果表明基于LS-SVM建立的模型有更强的泛化能力。在前面比较的非线性控制策略优缺点的基础上，根据被控对象的特点，采用广义预测算法实现阴极氧气化学计算量的控制。并提出了保证PEMFC系统运行在最佳状态的控制方案。