质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统集成热电湿管理及区域经济模型预测控制的优化研究

本文创新性地提出区域经济模型预测控制(ZEMPC)策略，通过优化质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统的热电湿耦合关系及辅助设备能耗，建立输出电压、相对湿度和工作温度的最优运行区间。相比传统区域模型预测控制(ZMPC)，该策略使净输出功率在阶跃扰动下提升1.85%，斜坡扰动下提升0.7%，同时降低辅助设备调控频率，为燃料电池长效稳定运行提供新思路。

　　

Highlight

本研究亮点：

1. 通过揭示变载工况下控制变量与关键运行参数的耦合关系，确定了燃料电池最优运行区间

2. 提出的区域经济预测控制(ZEMPC)方法能同步提升燃料电池系统净输出功率和辅助设备调节频率

3. 与传统区域预测控制(ZMPC)相比，ZEMPC兼具提升系统净发电量和快速响应能力，有利于燃料电池系统长期运行

Modeling of PEMFC system with auxiliaries

如图1所示的简化阳极封闭式PEMFC系统包含三个子系统：氢供应子系统通过阳极入口电磁阀周期性动作维持气体流通；空气供应子系统为电堆阴极侧输送氧化剂空气；热管理子系统则通过冷却液循环维持电堆温度在60-80°C最佳范围。这三个子系统通过功率转换模块协同工作，其中空气压缩机、加湿器和冷却泵等辅助设备的能耗直接影响系统净输出功率。

Zone economic model predictive control strategy

由于PEMFC系统易受环境变量影响，传统定点跟踪控制可能导致设备频繁调节。区域经济模型预测控制(ZEMPC)创新性地将经济指标（如辅助设备功耗）和系统效率指标整合到性能评价中，允许控制变量在预设最优区间内浮动。该策略通过滚动优化算法实时计算空气压缩机电压、冷却液质量流量和加湿功率的最佳组合，既保证系统稳定性，又最大限度降低寄生功率损耗。

Simulation and discussion

仿真对比显示：在5分钟测试周期内，ZEMPC使系统净功率在阶跃扰动下提升1.85%，斜坡扰动下提升0.7%。图5-7的响应曲线证实，该方法能显著减少冷却泵和加湿器的动作频次（约降低23%），有效延长设备寿命。表3数据进一步表明，在150A负载突变时，ZEMPC的温度波动比ZMPC减少1.2°C。

Conclusion

本研究构建的ZEMPC框架成功解决了PEMFC系统多变量耦合控制难题。通过建立热电湿参数的优化区间，并整合辅助设备功耗指标，实现了系统净功率提升与设备寿命延长的双重目标。未来工作将聚焦于实际电堆老化条件下的自适应控制策略验证。