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质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)可以把化学能转变为电能,具有能量密度高、启动速度快和无污染等优点,被认为是较有潜力的未来车用动力源。因此,对PEMFC的动态特性及其影响因素的研究均是目前的研究热点。水是影响质子交换膜燃料电池性能的一个重要因素,其在质子交换膜上的分布特性很大程度上可以决定PEMFC的效率,通过恰当的水管理能有效提高电池性能。针对传统集总参数PEMFC模型仅能描述单一水浓度特性的不足,为了建立一种既能较为合理、准确地研究PEMFC中内部的水分布特性,又足够简单可用于控制系统设计的PEMFC动态模型,本文基于分块化的建模方法,在二维空间下建立一种由多个分布式集总模型串联组成的分块化PEMFC蛇形流场动态控制模型。主要研究内容与创新点如下:(1)建立可预测水分布的分块化PEMFC动态模型,通过对其输出电压子模型进行线性化处理,实现了可用于控制系统的数学微分方程模型。在不同加湿程度的仿真工况下,模型在将输出电压子模型线性化前后的极化曲线、电流密度和膜中水含量分布之间的误差在可接受范围内,证明了所采用数学微分方程描述的分块化PEMFC动态控制模型的合理性和准确性。(2)基于Comsol Multiphysics软件,建立五流道蛇形流场的三维PEMFC阴极模型,对比该物理仿真模型与分块化PEMFC动态控制模型物质分布的结果,进一步证明控制模型可较为准确地预测膜中水含量、表面阻抗、电流密度和氧气摩尔浓度等参数的分布。(3)最后,基于一台800W电堆中单片PEMFC的电池结构及参数,建立了相应流道尺寸的分块化PEMFC动态控制模型和三维PEMFC阴极模型,实验结果表明,控制模型和三维模型的极化曲线在欧姆极化区与实验结果的误差分别在5%和3%以内。本研究基于数学微分方程,建立了一种可控的且可用于预测电池内部水分布的二维空间分块化PEMFC动态控制模型,以及一种基于Comsol Multiphysics的三维空间PEMFC阴极模型,最终通过仿真和实验,验证了两种模型的合理性和准确性,基于数学微分方程的分块化PEMFC动态控制模型可用于下一步的控制系统优化设计。