质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC)是一种用固体高分子膜作电解质的氢氧型发电装置。它是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的一种新型燃料电池。作为高效清洁能源，PEMFC具有操作温度低、启动快和无电解质腐蚀等优点。九十年代以来，美国、加拿大、德国、日本、英国、意大利等发达国家相继投入大量的人力、物力发展PEMFC技术，我国也将其列入“九五”、“十五”期间重点支持的高新技术开发项目。目前，PEMFC的研究和开发在建模、材料试验、基础工艺、产品研制、系统开发和应用等方面展开，并在航天、电动汽车、舰船、潜艇、移动电源、分布式电站中不断试验。由于PEMFC是一个具有多回路、多相流电化学反应的复杂系统，同时，PEMFC系统控制具有大滞后、不确定性和非线性等特点，因此PEMFC系统建模、先进控制和电池管理系统的研究就具有十分重要的理论价值和现实意义。 目前本所正在进行“985工程”项目“质子交换膜燃料电池动力系统研制”、“十五”国防科研项目“20kW车载质子交换膜燃料电池系统研制”和“863计划”项目“50kW天然气熔融碳酸盐燃料电池发电系统研制”等科研工作。结合这些任务和项目，本文主要研究了质子交换膜燃料电池移动电源的系统建模、系统控制和电池管理系统，基于实验数据建立了三种神经网络模型，提出了三种先进控制复合策略，研究了移动电源及其混合动力的电池管理系统，并进行了仿真研究和实验。本文的研究成果主要有如下几个方面。 首先，在初步研究课题背景和研究现状的基础上，论文第一章介绍了燃料电池的研究背景和PEMFC的技术进展，分析了影响PEMFC性能的主要因素，并阐述了PEMFC移动电源，最后对本论文的研究内容和创新点作了说明。 其次，在第二章中，基于研究对象的参考模型，建立了PEMFC移动电源的系统模型。应用质量、动量和能量守恒定律以及气—液—固三相界面的传热传质理论，详细研究了PEMFC元件、单电池和电堆三个层次的机理和建模，建立了三个具有可操作性的、基于人工神经网络的PEMFC移动电源的系统模型，并依据200W和1kWPEMFC电堆的实验进行了仿真。 然后，根据本所的实验数据，论文第三章研究了PEMFC移动电源的系统辨识。首先分析了基于过程控制的复杂系统辨识理论，接着研究了以操作参数和输出控制为目标的PEMFC移动电源的系统辨识技术，最后在200W和500WPEMFC电堆实验的基础上，建立了PEMFC移动电源的人工神经网络系统辨识模型。 接着，根据第二章和第三章的研究结果，通过简化计算，详细研究了PEMFC移动电源的系统控制，建立了三种先进控制复合策略的PEMFC移动电源控制系统，针对1kWPEMFC移动电源的实验结果，进行了仿真对比，这些内容分别在第四章中进行叙述。 最后，论文第五章详细研究了PEMFC移动电源的电池管理系统。首先分析了目前电池管理系统的理论和方法，接着在描述PEMFC发电量和效率的基础上应用软计算和专家系统的知识，研究了PEMFC移动电源的电池管理系统，最后建立了PEMFC移动电源混合动力系统的专家系统模型。 在论文的最后一章，对全文进行了总结，指出了一些尚未解决的问题，并对未来PEMFC的科学研究进行了展望。 论文的主要创新点具体如下：1.建立了三个能够实际应用的基于人工神经网络的PEMFC移动电源系统模型。目前PEMFC的系统模型，基本上都是复杂难解的机理模型和过于简单的实验模型，难以操作，不能用于PEMFC的实际控制。本文在PEMFC的神经网络系统建模方面进行了创新，所建模型的误差小于1﹪，仿真速度平均不到0.5秒。 2.针对本所自行开发的PEMFC电堆和实验平台，提出了两种方式的PEMFC移动电源系统辨识，设计了三种人工神经网络系统辨识模型，进行了大量的计算机仿真研究。研究结果表明，PEMFC系统辨识的设计和实现，不能采用传统的系统辨识方法，需要针对具体PEMFC发电系统的大小、结构和使用场合，选择新的系统辨识方法。司时，建立了PEMFC系统辨识的向量空间，完成了多变量的系统辨识模型。 3.系统研究了PEMFC发电系统的先进控制理论和方法，对各种情况下的PEMFC移动电源系统控制进行了设计和仿真研究。结果表明，PEMFC移动电源系统控制并不是控制系统越复杂算法越新就越好，而要针对不同的情况和系统大小，根据不同的操作参数和监测数据来综合选取。特别地，在实验室千瓦级PEMFC运行的基础上，设计了PEMFC移动电源的模糊PID控制，自适应模糊控制和基于自适应—神经网络—模糊推理和神经网络—模糊逻辑的自适应控制，并进行了对比研究。 4.将软计算的新方法应用到PEMFC移动电源智能专家系统的研究。在描述其发电量和发电效率的基础上，确定了PEMFC移动电源电池管理系统，探索了以PEMFC移动电源为主的多能源形式的电池管理系统，建立了PEMFC移动电源混合动力电池管理系统的电气模型和模糊神经网络专家系统模型。