燃料電池動力系統中的正負極壓力平衡控制的靈活性優勢
由于其高能效、低排放和可再生燃料來源，燃料電池技術已成為交通、固定電源和便攜式電源等各種應用中傳統化石燃料動力系統的有前途的替代品，燃料電池将儲存在燃料和氧化劑中的化學能不經燃燒直接轉化為電能。
與傳統的基于燃燒的系統相比，它們具有多種優勢，例如更高的效率、更低的排放和更低的噪音水準，然而，燃料電池系統需要精确的控制政策來優化性能、可靠性和耐用性。
燃料電池是将燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，燃料電池通過使氫氣（或其他燃料）和氧氣（或空氣）分别通過由電解質分隔的陽極和陰極來運作。
在陽極室中，氫氣被催化氧化以産生質子 (H+) 和電子 (e-)，電子通過外部電路流向陰極，産生電能。
與此同時，質子通過電解質遷移到陰極室，在那裡它們與氧氣和電子反應形成水 (H2O) 作為唯一的副産品。
與傳統的基于燃燒的系統相比，燃料電池具有多項優勢，例如更高的效率、更低的排放和更低的噪音水準。
它們還在燃料來源方面提供了更大的靈活性，包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣和其他生物燃料，然而，燃料電池也面臨一些挑戰，例如成本、耐用性和可靠性。
燃料電池系統的主要挑戰之一是在陽極室和陰極室之間保持适當的壓力平衡，壓力不平衡會導緻性能下降、耐用性下降，甚至導緻災難性故障，為了解決這個問題，已經開發了各種壓力平衡控制政策。
最簡單的壓力平衡控制政策之一是使用壓力調節器來維持陽極和陰極室中的恒定壓力。
這種方法在某些情況下可能是有效的，但它不提供對負載或其他系統條件變化的動态響應，此外，壓力調節器本身會給系統帶來額外的複雜性和成本。
另一種方法是使用壓差傳感器測量陽極室和陰極室之間的壓差，并使用控制系統調節室中的壓力以保持所需的壓差。
這種方法可以對負載或其他系統條件的變化提供更動态的響應，但它需要更複雜的控制算法和額外的傳感器。
燃料電池中一種常用的壓力平衡控制政策是比例積分微分 (PID) 控制，PID 控制是一種回報控制系統，它根據設定值和測量過程變量之間的誤差來調整控制變量，PID 控制器由三項組成：比例項、積分項和微分項。
比例項根據設定點和測量過程變量之間的誤差按比例調整控制變量。積分項根據随時間累積的誤差調整控制變量，微分項根據誤差的變化率調整控制變量。
在燃料電池系統中，PID 控制器調節反應物（燃料和氧化劑）的流速，以維持陽極室和陰極室之間所需的壓力平衡。
控制器接收來自位于陽極室和陰極室的壓力傳感器的輸入，并相應地調整反應物的流速。
另一種應用于燃料電池系統的控制政策是模型預測控制 (MPC)，MPC 是一種控制政策，它使用系統的數學模型來預測系統的未來行為并生成優化定義的性能标準的控制動作，MPC 已被證明可有效控制各種類型的系統，包括燃料電池。
MPC 使用系統模型來預測系統的未來行為，并生成優化性能标準的控制動作，例如最小化陽極室和陰極室之間的壓差。
該模型通常是描述系統随時間變化的行為的動态模型。MPC 控制器根據系統的預測行為調整反應物的流速。
MPC 已被證明在控制燃料電池方面是有效的，因為它可以解釋系統的非線性行為，并且可以在比傳統控制政策更長的時間範圍内優化控制動作。
還研究了其他控制政策來控制燃料電池中的壓力平衡。這些包括模糊邏輯控制、自适應控制和神經網絡控制。
模糊邏輯控制使用模糊邏輯對系統模組化并生成控制動作。自适應控制根據系統的變化行為調整控制動作，神經網絡控制使用神經網絡對系統模組化并生成控制動作。
實驗結果表明，有效的壓力平衡控制政策可以顯着提高燃料電池系統的性能、耐久性和可靠性。
例如，特拉華大學的研究人員為質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 系統開發了一種 MPC 控制政策，該政策能夠在陽極室和陰極室之間保持緊密的壓力平衡，進而提高系統的性能和耐用性。
MPC 控制政策能夠實作小于 2 kPa 的陽極室和陰極室之間的壓差，而沒有 MPC 控制政策的系統的壓差超過 10 kPa。
維多利亞大學的研究人員還為 PEMFC 系統開發了一種自适應控制政策，能夠在陽極室和陰極室之間保持緊密的壓力平衡，進而提高系統的性能和耐用性。
自适應控制政策能夠根據系統的變化行為調整反應物流速，進而使陽極室和陰極室之間的壓力差小于 2 kPa。
總之，壓力平衡控制政策對于燃料電池系統的最佳性能、耐久性和可靠性至關重要，已經開發和研究了各種控制政策，例如 PID 控制和 MPC，以控制燃料電池中的壓力平衡。
