质子交换膜燃料电池稳态建模及其pid控制

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1、上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：周洁日期：2007年1月22日85上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文版权使用授权书上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、

2、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在__年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：周洁指导教师签名：曹广益日期：2007-1-22日期：2007-1-2286上海交通大学硕士学位论文摘要质子交换膜燃料电池稳态建模及其PID控制摘要能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明

3、发达程度和人民生活水平的重要指标。人类社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新突破都给生产力的发展和社会变革带来了重大而深远的影响。这就使得燃料电池的研究在能源界具有了极为重要的意义。燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。本文的主要研究对象是质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell)，它除了具有燃料电池的一般特点（如能量转化效率高、环境友好等）之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，

4、它已经成为当今燃料电池领域中研究最广泛、发展最快的一个分支。为了给设计、优化和控制PEMFC提供基本的和合理的依据，必须对其进行数学建模和仿真，本文就PEMFC稳态建模及其控制作了研究。本论文主要研究工作包括：1）对PEMFC进行稳态建模，使模型能正确反映电堆的实际输出性能。通常，由于机理模型令人生畏的复杂性，致使模型难以求解,因此，在本文中建立的是PEMFC实验机理模型，它主要是通过实验方法，建立描述电池输出特性(输出电2上海交通大学硕士学位论文摘要压与电流密度关系)的经验公式，在实际应用中更加简便。2）但是，由于在建模过程中，进行

5、了假设和近似，因此不管是什么模型，PEMFC模型与实际的电堆性能之间必存在着偏差。为了提高模型的精度，以便使模型能更好地反映真实的PEMFC电堆性能，则需要对模型的参数进行优化。文中结合千瓦级PEMFC电堆的输出电压、负载需求电流，阴极和阳极的气体运行压力数据，对电堆参数进行了优化和确定。通过运用两种不同的算法对模型进行优化，并用Matlab对所建模型进行仿真和参数辨识，选取其中仿真结果能与实验值吻合较好的一组辨识参数，使优化后的PEMFC稳态模型能够更好的用于PEMFC稳态性能的估计和研究。3）为了更好地对PEMFC稳态模型的进行控

6、制，本文基于所建的PEMFC稳态模型，用Simulink模块来搭建了一个仿真模型，对其输入一个方波电流量，仿真得到了期望的输出电压量。4）在电堆实际运行过程中，负载是会有波动的，此时要求输出稳定的电压。文中设计了PID压力控制器，给PEMFC电堆的Simulink模型加入了在一定范围内变化的随机变量作为负载电流输入量，然后通过控制进入PEMFC电堆的气体压力，来得到稳定的电压值。本文具体地介绍了整个PEMFC稳态模型的建立、仿真和控制。利用实验室现有的千瓦级PEMFC电堆的实验数据，验证了所建模性能正确地反映PEMFC电堆的运行情况。

7、关键词：质子交换膜燃料电池，稳态模型，Matlab仿真，优化辨识，PID控制3上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTSteady_StateModelingandPIDControllingonProtonExchangeMembraneFuelCellsABSTRACTFuelcellsareelectrochemicaldevicesthatconvertthechemicalenergyofagaseousfueldirectlyintoelectricityandarewidelyregardedasthepotential

8、alternativestationaryandmobilepowersource.Theycomplementheatenginesandreducetheubiquitousdependenceonfossilfue