燃料电池动力系统中的正负极压力平衡控制的灵活性优势
由于其高能效、低排放和可再生燃料来源，燃料电池技术已成为交通、固定电源和便携式电源等各种应用中传统化石燃料动力系统的有前途的替代品，燃料电池将储存在燃料和氧化剂中的化学能不经燃烧直接转化为电能。
与传统的基于燃烧的系统相比，它们具有多种优势，例如更高的效率、更低的排放和更低的噪音水平，然而，燃料电池系统需要精确的控制策略来优化性能、可靠性和耐用性。
燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学装置，燃料电池通过使氢气（或其他燃料）和氧气（或空气）分别通过由电解质分隔的阳极和阴极来运行。
在阳极室中，氢气被催化氧化以产生质子 (H+) 和电子 (e-)，电子通过外部电路流向阴极，产生电能。
与此同时，质子通过电解质迁移到阴极室，在那里它们与氧气和电子反应形成水 (H2O) 作为唯一的副产品。
与传统的基于燃烧的系统相比，燃料电池具有多项优势，例如更高的效率、更低的排放和更低的噪音水平。
它们还在燃料来源方面提供了更大的灵活性，包括氢气、甲醇、乙醇、天然气和其他生物燃料，然而，燃料电池也面临一些挑战，例如成本、耐用性和可靠性。
燃料电池系统的主要挑战之一是在阳极室和阴极室之间保持适当的压力平衡，压力不平衡会导致性能下降、耐用性下降，甚至导致灾难性故障，为了解决这个问题，已经开发了各种压力平衡控制策略。
最简单的压力平衡控制策略之一是使用压力调节器来维持阳极和阴极室中的恒定压力。
这种方法在某些情况下可能是有效的，但它不提供对负载或其他系统条件变化的动态响应，此外，压力调节器本身会给系统带来额外的复杂性和成本。
另一种方法是使用压差传感器测量阳极室和阴极室之间的压差，并使用控制系统调节室中的压力以保持所需的压差。
这种方法可以对负载或其他系统条件的变化提供更动态的响应，但它需要更复杂的控制算法和额外的传感器。
燃料电池中一种常用的压力平衡控制策略是比例积分微分 (PID) 控制，PID 控制是一种反馈控制系统，它根据设定值和测量过程变量之间的误差来调整控制变量，PID 控制器由三项组成：比例项、积分项和微分项。
比例项根据设定点和测量过程变量之间的误差按比例调整控制变量。积分项根据随时间累积的误差调整控制变量，微分项根据误差的变化率调整控制变量。
在燃料电池系统中，PID 控制器调节反应物（燃料和氧化剂）的流速，以维持阳极室和阴极室之间所需的压力平衡。
控制器接收来自位于阳极室和阴极室的压力传感器的输入，并相应地调整反应物的流速。
另一种应用于燃料电池系统的控制策略是模型预测控制 (MPC)，MPC 是一种控制策略，它使用系统的数学模型来预测系统的未来行为并生成优化定义的性能标准的控制动作，MPC 已被证明可有效控制各种类型的系统，包括燃料电池。
MPC 使用系统模型来预测系统的未来行为，并生成优化性能标准的控制动作，例如最小化阳极室和阴极室之间的压差。
该模型通常是描述系统随时间变化的行为的动态模型。MPC 控制器根据系统的预测行为调整反应物的流速。
MPC 已被证明在控制燃料电池方面是有效的，因为它可以解释系统的非线性行为，并且可以在比传统控制策略更长的时间范围内优化控制动作。
还研究了其他控制策略来控制燃料电池中的压力平衡。这些包括模糊逻辑控制、自适应控制和神经网络控制。
模糊逻辑控制使用模糊逻辑对系统建模并生成控制动作。自适应控制根据系统的变化行为调整控制动作，神经网络控制使用神经网络对系统建模并生成控制动作。
实验结果表明，有效的压力平衡控制策略可以显着提高燃料电池系统的性能、耐久性和可靠性。
例如，特拉华大学的研究人员为质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 系统开发了一种 MPC 控制策略，该策略能够在阳极室和阴极室之间保持紧密的压力平衡，从而提高系统的性能和耐用性。
MPC 控制策略能够实现小于 2 kPa 的阳极室和阴极室之间的压差，而没有 MPC 控制策略的系统的压差超过 10 kPa。
维多利亚大学的研究人员还为 PEMFC 系统开发了一种自适应控制策略，能够在阳极室和阴极室之间保持紧密的压力平衡，从而提高系统的性能和耐用性。
自适应控制策略能够根据系统的变化行为调整反应物流速，从而使阳极室和阴极室之间的压力差小于 2 kPa。
总之，压力平衡控制策略对于燃料电池系统的最佳性能、耐久性和可靠性至关重要，已经开发和研究了各种控制策略，例如 PID 控制和 MPC，以控制燃料电池中的压力平衡。
