硕士论文
摘要
燃料电池系统电效率影响因素分析及其水热管理燃料电池系统具有环保、无污染等特点，普遍被认为是“最有前景的车辆能源转换装置”，近些年来在世界范围内受到越来越多的科研工作者以及公司的关注，成为研究热点。燃料电池动力系统依托于电堆本体的氢气与氧气之间的反应产生能量，通过辅助装置为车辆提供动力。其中燃料电池电堆是该系统的核心部件，其电效率影响到车辆的平均成本、行驶里程、性能等，受到温度、湿度的影响较大。因此对温湿度的研究以及合理地控制能够使得燃料电池在高效的工作区间工作，保证运行稳定，发挥最大的性能。
本文依托省校共建项目“高比功率燃料电池发动机关键技术研究与平台开发”，首先提出电效率的定义，将电效率的研究转为电压损耗的研究，从电压损耗入手，研究燃料电池在活化段、欧姆段、浓差段工作时的内阻成因，进行了温湿度的影响特性分析，由此获得了在三个工作区间的最佳操作参数。
搭建燃料电池试验台架，设计了电流变化负载下的电堆输出性能实验，得出在不同温湿度条件下电堆的极化曲线，进一步研究了电效率的变化趋势，由此验证了温湿度影响电堆输出特性及电效率的具体表现。
根据燃料电池系统的组成，设计了包括阴极供气系统、阳极供气系统、水管理系统以及热管理系统，根据极限工况条件，确立燃料电池散热需求，获得相关参数匹配，包括风扇以及水泵的散热需求等。进一步在实验方式基础上，根据反应机理及经验公式，利用理论研究的方式，建立数学模型，包括阴阳极供气系统模型，水泵、风扇模型、加湿器模型等。
基于 Matlab/Simulink 软件平台搭建了燃料电池系统仿真模型，并制定了水热管理过程分析的评价要点，应用 PID、模糊 PID 控制算法，系统地对燃料电池进行水热管理，通过各个子模块的关联耦合，实现了对电堆温湿度在固定目标值下的合理控制。
在燃料电池温湿度控制基础上，开展了算例分析，进行了干扰工况下、特定工况和循环工况下的基本特征、变化特性以及优化结果的简要分析。以温湿度控制稳定、提高电效率为目标，应用不同的控制方法进行仿真分析验证合理性。
关键词：燃料电池系统，质子交换膜燃料电池，温湿度管理，电效率，模糊 PID
Abstract
Analysis of factors influencing the power efficiency of fuel cell Systemand its hydrothermal management 。
Fuel cell system has the characteristics of environmental protection, pollution-freeand so on, and it is generally regarded as "the most promising vehicle energy conversiondevice". In recent years, more and more scientific researchers and companies aroundthe world have paid attention to and developed it, which made it a research hotspot. Thefuel cell power system relies on the reaction of hydrogen and oxygen in the reactorbody to produce energy, and helped by auxiliary devices to provide power. Among them,the fuel cell battery is the core component of the system. Its electrical efficiency affectsthe vehicle's average cost, driving distance, performance, etc. It is greatly affected bytemperature and humidity, and its output performance is also determined by these issues.
Therefore, the study on temperature and humidity and reasonable control can make thefuel cell work in an efficient operating range, ensure stable operation and give full playto its performance.
This paper relies on the provincial and university co-construction project "researchand platform development of key technologies of high specific power fuel cell engine".
Firstly, the definition of electric efficiency is put forward, and the study of electricefficiency is transformed into the study of voltage loss. Starting from the voltage loss,the causes of internal resistance of fuel cells in activated section, ohm section andconcentration section are studied.
A fuel cell test bench was set up, and the reactor output performance experimentwas designed under the load of current variation. The polarization curve of the reactorunder different temperature and humidity conditions was obtained, and the variationtrend of the electrical efficiency was further studied. The specific performance of theinfluence of temperature and humidity on the reactor output characteristics andelectrical efficiency was verified.
According to the composition of fuel cell system, the design includes cathode gassupply system, anode gas supply system, water management system and thermalmanagement subsystem. According to the limit operating condition, the heat dissipationdemand of fuel cell is established and the relevant parameters are matched, includingthe heat dissipation demand of fan and water pump. Further on the basis of theexperimental method, according to the reaction mechanism and empirical formula, themathematical model is established by the way of theoretical research, including the airsupply system model of anode and cathode, the model of water pump, fan andhumidifier.
Based on Matlab/Simulink software platform to build the simulation model of fuelcell system and made the evaluation points of water thermal management processanalysis, application of PID and fuzzy PID control algorithm, thermal managementsystem for fuel cell water, through the associated coupling each module, realized withelectricity in the reasonable control of the fixed target value of temperature andhumidity.
On the basis of temperature and humidity control of fuel cell, a numerical exampleanalysis is carried out, and the basic characteristics, variation characteristics andoptimization results of the fuel cell under interference, specific conditions and cycleconditions are briefly analyzed. In order to control the stability of temperature andhumidity and improve the electrical efficiency, different control methods were used forsimulation analysis to verify the rationality.
Key words:Fuel cell , proton exchange membrane fuel cell, temperature and humiditymanagement, characteristic analysis, coordinated control strategy, fuzzy PID
目 录
第 1 章 绪论............................................................................................. 1
1.1 研究背景及意义 ............................................................................... 1
1.2 燃料电池汽车 ................................................................................... 3
1.3 燃料电池发展史 ............................................................................... 5
1.4 燃料电池系统研究现状 ................................................................... 6
1.4.1 燃料电池电效率研究现状 ......................................................... 6
1.4.2 燃料电池水热管理研究现状 ..................................................... 7
1.5 论文研究内容 ................................................................................... 9
第 2 章 燃料电池工作原理与电效率研究 ............................................ 11
2.1 质子交换膜燃料电池的原理 ......................................................... 11
2.2 燃料电池电效率研究 ..................................................................... 14
2.2.1 开路电压 ................................................................................... 15
2.2.2 活化段 ....................................................................................... 17
2.2.3 欧姆段 ....................................................................................... 19
2.2.4 浓差段 ....................................................................................... 22
2.2.5 总内阻分析 ............................................................................... 24
2.3 燃料电池电堆输出性能实验 ......................................................... 28
2.3.1 实验目的 ................................................................................... 28
2.3.2 试验平台 ................................................................................... 29
2.3.3 实验条件 ................................................................................... 30
2.3.4 实验内容 ................................................................................... 30
2.3.5 实验结果与分析 ....................................................................... 31
2.4 本章小结 ......................................................................................... 33
第 3 章 燃料电池系统设计与模型搭建 ................................................ 35
3.1 总管路模型 ..................................................................................... 35
3.2 空气供气系统 ................................................................................. 36
3.2.1 阴极模型 ................................................................................... 37
3.3 氢气供给系统 ................................................................................. 41
3.3.1 阳极模型 ................................................................................... 42
3.4 热管理系统 ..................................................................................... 43
3.4.1 燃料电池热管理系统匹配 ....................................................... 44
3.4.2 产热模型 ................................................................................... 46
3.4.3 循环水泵模型 ........................................................................... 49
3.4.4 散热器模型 ............................................................................... 50
3.5 水管理系统 ..................................................................................... 50
3.5.1 水管理模型 ............................................................................... 51
3.5.2 加湿器模型 ............................................................................... 55
3.6 本章小结 ......................................................................................... 60
第 4 章 燃料电池系统仿真与水热管理控制研究 .............................. 61
4.1 热管理控制方案 ............................................................................. 61
4.1.1 热管理控制要求 ....................................................................... 61
4.2 湿度控制方案 ................................................................................. 62
4.3 控制策略及仿真 ............................................................................. 63
4.4 控制方法 ......................................................................................... 64
4.4.1 基于 PID 控制的燃料电池水热管理仿真分析 ...................... 64
4.4.2 模糊 PID 算法的设计 ............................................................... 66
4.5 仿真结果分析 ................................................................................. 69
4.5.1 目标温度控制下的对比 ........................................................... 69
4.5.2 干扰下的控制效果 ................................................................... 71
4.5.3 特定工况下的控制效果 ........................................................... 73
4.5.4 循环工况仿真分析 ................................................................... 75
4.6 本章小结 ......................................................................................... 77
第 5 章 总结与展望 ................................................................................ 78
5.1 全文总结 ...................................................................................... 78
5.2 工作展望 ...................................................................................... 79
参考文献 ................................................................................................... 81
致 谢 ....................................................................................................... 86
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类社会生存和发展的重要基础，伴随着全球经济的飞速发展，人类对物质的需求也逐渐增长，对传统化石能源需求增大的同时，不合理的消耗利用也引发了一系列的环境问题。为改善环境问题，中国在联合国气候峰会上承诺确保实现 2020 年碳排放强度比 2005 年下降 40%-45%，共减少排放二氧化碳约40 亿吨。据调查目前二氧化碳排放中，25%来源于汽车，42%的大气污染物来源于交通运输，城市有害气体中汽车尾气更是占到了 75%。我国的民用汽车拥有量逐年增加；截止 2014 年，中国已经成为世界最大的汽车生产国和消费国。为实现 2020 年节能减排目标，汽车尾气排放限值越来越严格，并向超低排放、零排放发展，中国发展新能源汽车的压力更为紧迫，替代汽油、煤炭、煤油等不可再生化石燃料的新型可再生、无污染能源逐渐走进人们的视野，并在多个国家之中得到大力支持和发展。在汽车工业中对于新型替代型能源的需求也是日益增多。
众所周知，在二十一世纪是我国汽车的高速发展时期，其中新能源汽车也于此阶段蓬勃发展。我国新能源汽车研究项目于二零零壹年被列入国家“863”计划，将燃油为燃料作为出发点，朝着氢燃料电池汽车为目标的战略被政府高度关注和支持。新能源汽车是时代催生的产物，他的良好势头是我们国家越来越优秀的技术水平的良好体现，也是对于支持可持续发展的有力保证，可以起到低碳环保的作用，达到缓解能源供需矛盾的成就。新能源汽车按技术路线分类，由以下部分组成：
(1)燃料电池汽车（FCEV）。
燃料电池汽车，其将氢气与氧气作为燃料，通过电化学反应产生电流，并通过电机传递动力的车辆。
(2)混合动力汽车（HEV）。
混合动力汽车，动力来源有传统燃料和电力，并且同时拥有电动机以及发动机的车辆。 吉林大学硕士学位论文(3)增程式电动车（REEV） 。
增程式电动车，车内只有一套电力驱动系统，电动机直接作用于车轮，发动机用于驱动发电机对电池进行充电。
(4)纯电动汽车（BEV）纯电动汽车，动力全部来源于车载电池，只有电机提供动力，实现零排放[1]。
短期内，新能源汽车领域仍然以锂电池为主，并将表现出锂电池跟燃料电池齐头并进的状态。氢能是现在以及未来中最完美的能源，其具有无污染、效率高、可循环利用等特点，与此同时纯电动汽车的续航里程以及充电问题依旧是其面临的难题。因此，氢燃料电池汽车是未来的最终发展趋势。
新能源汽车的发展是时代的产物，也是汽车的最终归宿，在汽车行业发展的初始阶段，电动汽车已经崭露头角，但是因为技术壁垒以及市场的接受度不高，一度没有引起人们的重视。现如今在技术发展得到充分完善的境况下，全球范围内的国家及政府、企业及人民都充分意识到了新能源汽车的势在必行的趋势。
我国新能源汽车行业发展的必经之路是在环保经济的大环境下，坚持市场为主导的原则，经由政府出台的政策指引与市场合作的不断探索，稳步踏实提高新能源汽车领域的工作效率。我国新能源汽车行业的发展借鉴日本汽车企业的混合动力相关技术、借鉴美国的增程式混合动力技术、德国的插电式混合动力技术，由于中国电动汽车行业以及电池行业的完整度较高，逐步形成了电动与插电式并存，最终确定燃料电池和智能网联汽车发展的产业发展计划，制定了《节能与新能源汽车技术路线图》，提出“1+7”新能源产业发展路线。在关键技术方面，纯电动汽车相关技术取得了突破性进展，汽车的技术水平比肩国际知名产品。市场逐步从政策驱动型往市场驱动型转变：
(1)由乘用车、商用车逐渐向着个人乘用车购买意向的转变；(2)消费主体从初始的公共领域向私人领域转变；(3)私人消费从限购区域转变为非限购区域转变；(4)市场接受程度变高，由被动接受逐渐变化为主动接纳[2]。
在国外，由于汽车强国如美国、日本等国家有雄厚的技术基础，因此在发展新能源汽车产业方面的技术路线各有不同。美国汽车的技术路线主要是开展对于吉林大学硕士学位论文4FC 温湿度耦合特性、外部输出特性与内部工作状态的差异性、内阻及等效电路一直是 PEMFC 电堆研究的热点及关键问题。在世界范围内，欧洲、美国等传统汽车巨头均进军燃料电池汽车领域，相关部门、企业、政府也大力扶植相关产业。
作为未来最终形态，燃料电池行业市场正初具规模并逐步解决各项技术难题。
由于中国政府对于新能源汽车尤其是燃料电池汽车的大力扶植与帮助，国内的燃料电池汽车行业进入了发展高峰期。根据数据资料显示，中国燃料电池汽车市场从 2014 年开始急速上升，于 2016 年完成生产燃料电池汽车 628 辆的目标，在 2017 年累计达到 1272 辆。值得一提的是，国内的发展路线在现阶段主要是针对于大型客车，在乘用车领域我们还有很长的路要走。
图 1.1 燃料电池汽车产量
而在乘用车领域，以美国为代表，日本、韩国、英国等发达国家的技术水平普遍较高，在燃料电池汽车市场占据主要地位。
图 1.2 2014-2017 各国燃料电池汽车产量
燃料电池电动汽车主要由以下几种形式组成：
纯电动汽车以及增程式混合动力汽车的研究及发展；日本、韩国企业将 HEV、BEV、FCV 作为主要发展对象；德国针对性开展对于电动汽车的研究。近些年来，外国提出了“新一代汽车发展计划”，将电动汽车的发展放在新能源领域的首要位置，且预计二十年内将电动汽车市场份额提升至百分之十。放眼全世界，外国企业主要研究三种电动汽车：其中混合动力汽车全球销量第一；与此同时，国外的燃料电池汽车及其相关配套产业在世界范围内也遥遥领先。
燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心部分，想要使车辆在不同工况下都能持续、稳定地工作，必须对燃料电池系统及其本身特性进行详细的研究，并以此为根据进行整个系统的控制。因此，深入研究燃料电池的工作状态以及输出影响因素是至关重要的。
燃料电池受温度、压力、湿度影响，在不同的工作条件下，其输出的特性有较大差距，因此，通过分析了解燃料电池的运行机理，并且在此之上结合实验构建完整的燃料电池模型，对于其控制起着至关重要的作用。
在本文的基础上，可以对燃料电池在不同工况下的温湿度控制起到指导性作用，从而确定在不同输出工况下的燃料电池最佳操作点，这在实际应用中至关重要。本文研究的燃料电池指的是质子交换膜燃料电池，这也是汽车中最常用的形式，下文不做特殊说明。
1.2 燃料电池汽车
从1838年德国化学家尚班（Christian Fried-rich Schonbein）提出燃料电池原理至今，燃料电池技术虽然经历了一个多世纪的发展，并且在电池材料、结构、模型仿真、优化控制等各方面取得了很大进步。以美国、德国、日本等为代表的发达国家一直处于燃料电池研究领域前沿，研发出多种类型的燃料电池车、军用及商用电力系统。我国政府一直非常重视燃料电池技术的研究，国家科技部曾将燃料电池先后列入“九五”重大科研计划和“863”计划。以大连物化所为代表的科研机构以及以上海神力科技有限公司为代表的企业单位，一直处于我国燃料电池研究领域的前沿，对燃料电池展开了全面深入的研究。至今，国内已经有各功率级别 PEMFC 电池，并应用在国防、能源、交通、教育等各个领域。而PEMFC 温湿度耦合特性、外部输出特性与内部工作状态的差异性、内阻及等效电路一直是PEMFC电堆研究的热点及关键问题。在世界范围内，欧洲、美国等传统汽车巨头均进军燃料电池汽车领域，相关部门、企业、政府也大力扶植相关产业。作为未来最终形态，燃料电池行业市场正初具规模并逐步解决各项技术难题。
由于中国政府对于新能源汽车尤其是燃料电池汽车的大力扶植与帮助，国内的燃料电池汽车行业进入了发展高峰期。根据数据资料显示，中国燃料电池汽车市场从 2014 年开始急速上升，于 2016 年完成生产燃料电池汽车 628 辆的目标，在 2017 年累计达到 1272 辆。值得一提的是，国内的发展路线在现阶段主要是针对于大型客车，在乘用车领域我们还有很长的路要走。
而在乘用车领域，以美国为代表，日本、韩国、英国等发达国家的技术水平普遍较高，在燃料电池汽车市场占据主要地位。
燃料电池电动汽车主要由以下几种形式组成：
1. 纯燃料电池驱动 。
2. 燃料电池与辅助动力电池联合驱动 。
3. 燃料电池与超级电容联合驱动 。
4. 燃料电池与辅助动力电池和超级电容联合驱动。
目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是 FC+B 的组合，这是因为它具有以下特点:
（1）当车辆需求功率较大时，燃料电池可与动力电池联合工作驱动车辆；平稳工况由燃料电池单独提供动力；急加速工况由动力电池提供峰值功率。
（2）当汽车需求功率较小时可由动力电池单独提供动力来源。
（3）动力电池发展时间长，技术更加完善，可以解决燃料电池动态相应较慢等问题。
1.3 燃料电池发展史
1960 年美国通用汽车开发 PEMFC 用于双子星座航天器的动力源；20 世纪70 年代杜邦公司研制出了全氟磺酸膜；1968 年到 1984 年相关研究位于低迷状态；二十世纪八十年代因为电池材料与技术的迅猛发展，PEMFC 的开发热潮再次出现；1993 年巴拉德推出世界上首辆以燃料电池作为能源供给装置的公共汽车；五年后该集团建成世界首个燃料电池工厂，此后呈现蓬勃发展趋势。美国于2006 年启动燃料电池公共汽车计划以进行燃料电池的研发与示范。欧洲公司在2003 至 2010 年间在 10 个城市示范运营 30 辆第一代燃料电池客车，方案定为 12kw 燃料电池的锂电池作为补充能源，总共运行一百三十万英里。在 2012 年开始，宝马公司跟丰田集团建立合作伙伴关系，宝马从丰田获取燃料电池技术。在六年的时间里，开展了第二代燃料电池公共汽车项目，共计在五个城市，累计 26 辆燃料电池汽车运行，目标定为实现现有燃油车的标准。日本燃料电池技术紧随其后，在 2014 年本田公司推出功率密度高达 3kw/L 的燃料电池电堆，同年推出 mirai 燃料电池汽车，该燃料电池汽车采用 114kw 功率燃料电池，约 700 个大气压的高压储氢罐放置于车辆后部，且经过高压碰撞试验，一次充氢能够允许 600 公里以上的里程数。2015 年丰田宣布开放与燃料电池汽车相关的近六千项专吉林大学硕士学位论文6利，大大推动了世界范围内燃料电池的发展。2016 年底，丰田公司在日本建立约100 座氢燃料补给站。韩国于 2006 年研制出第一款自主的燃料电池，并且组装了三十台 SUV 以及四辆客车，在国内进行示范运行；2009 至 2012 年研制出第二代燃料电池，其性能有了一定提高且在 100 台 SUV 上进行装车试验；2013 年韩国宣布相比于原计划早两年进行千辆燃料电池 SUV 的投产计划，车型定为现代 ix35，该项目也是世界范围内第一位进行燃料电池汽车千辆规模的生产的国家。
在燃料电池产业链方面，呈现出众人拾柴火焰高、共同推进产业进步的现象。
在燃料电池电堆方面，加拿大巴拉德、Hydrogenenics、AFCC 公司在商用车、乘用车领域独占鳌头；日本的丰田集团、三菱集团紧随其后。在膜电极产业方面，美国的 Gore 公司、英国的 Johnson Matthey 公司占据主要地位；催化剂产业链中，由美国 3M 公司与 GORE 公司主导；双极板产业中，美国的 POCO 公司、瑞典的 Cellipact 公司与德国 Dana 公司分别在石墨板、金属板占据主要地位[3]。
总体而言，国外的发展中，燃料电池体积功率密度较高，质量功率密度大，效率高，工况寿命长；而国内这些指标均低于国外水平；在膜电极、气体扩散层、催化剂及双极板产业，国外实现规模化生产，已经形成流水生产线，而国内均是小规模生产，或者由科研院所测试生产，没有量产，缺乏研究[4]。
图 1.3 论文的结构体系
图 2.1 典型燃料电池示意图
图 2.2 燃料电池流动分析
图 2.8 a=0.1 时，不同电堆温度下的 i-Rf曲线
图 2.12 燃料电池不同工作温度下的浓差内阻
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第 5 章 总结与展望
5.1 全文总结
燃料电池汽车作为新能源汽车发展的重要组成部分越来越受到关注，其中燃料电池系统作为汽车的动力源，不仅为汽车提供动力输出，而且还会在工作过程中产生热量、水气。这些因素对于燃料电池电堆影响较为显着，合理的对其进行控制可以在一定程度上提高电堆电效率从而提升系统输出能力，因此需要系统各部分协调工作和控制。
为此，本文从影响燃料电池电堆电效率所涉及的电压、内阻切入，开展了对于极化现象的研究。通过对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻的形成原因及影响因素的分析，针对提高电效率的目标，计算了各个工作区间的合理操作温湿度。通过对燃料电池系统的分析，探究各子系统的内部情况，计算了散热需求、水量迁移并对主要部件进行参数匹配。通过模型建立，开展了水热管理的仿真方法研究和具体工况下的温湿度控制效果分析，验证了循环工况下电效率的提升，为指导燃料电池系统设计及应用奠定基础。总结主要工作如下：
(1) 提出电效率的定义，分析其计算方法。将电效率的研究转为电压损耗的研究，通过对形成电压损耗的燃料电池极化现象分析，从电压损耗入手，研究燃料电池在活化段、欧姆段、浓差段工作时的内阻成因，进行了温湿度的影响特性分析，由此获得了在三个工作区间的最佳操作参数；(2) 搭建燃料电池试验台架，设计了电流变化负载下的电堆输出性能实验，得出在不同温湿度条件下电堆的极化曲线，进一步研究了电效率的变化趋势，由此验证了温湿度影响电堆输出特性及电效率的具体表现；(3) 根据燃料电池系统的组成，设计了包括阴极供气系统、阳极供气系统、水管理系统以及热管理子系统。根据极限工况条件，确立燃料电池散热需求，获得相关参数匹配，包括风扇以及水泵的散热需求等。进一步在实验方式基础上，根据反应机理及经验公式，利用理论研究的方式，建立数学模型，包括阴阳极供气系统模型，水泵、风扇模型、加湿器模型等；（4）基于 Matlab/Simulink 软件平台搭建了燃料电池系统仿真模型，并制定了水热管理过程分析的评价要点，应用 PID、模糊 PID 控制算法，系统地对燃料电池进行水热管理，通过各个子模块的关联耦合，实现了对电堆温湿度在固定目标值下的合理控制；（5）在燃料电池温湿度控制基础上，开展了算例分析，进行了干扰工况下、特定工况下和循环工况下的基本特征、变化特性以及优化结果的简要分析。以温湿度控制稳定、提高电效率为目标，应用不同的控制方法进行仿真分析，由此得出仿真方法可以对不同的车辆（燃料电池系统）运行工况条件以及控制要素条件下的各子系统基本特征、响应进行仿真分析。
总之，本文以燃料电池系统为典型，以燃料电池电堆为主体，在研究燃料电池极化内阻、欧姆内阻以及浓差内阻变化的基础上，根据极限工况确立了参数匹配及选型，以提高电效率为目标，设计了水热管理的系统方案。
在燃料电池电堆系统模型建立基础上，实现了对水热管理的仿真分析及控制算法的对比，最终形成了一套完整的从电效率影响因素分析、各子系统设计、工况匹配和选型、主要部件的数学建模、控制算法书写到仿真应用的整体方法，为今后燃料电池汽车及系统的设计及仿真分析研究提供了一定基础。
5.2 工作展望
本文针对燃料电池系统，特别是燃料电池电堆，开展了电效率影响因素的分析，将其转化为内阻的影响因素分析；进行了 Matlab 一维仿真方法的研究，设计控制算法对温湿度进行控制以达到提高电效率的目的，为未来的优化设计、控制研究打下了基础。但是，研究由于受到工具、手段、实验条件和信息的局限性等制约，存在着一些不足，展望下一步的工作如下：
（1）深入分析内部水传递的实时情况，通过三维建模以及实验观测得出实时水热分布，能够使得局部温度、湿度的情况得以掌握，从而更好的管理局部温湿度。目前仅仅作为内部环境的理论计算，建议今后进一步依托实验得出更详细的信息；
（2）本文对燃料电池电压及阴阳极模型的理论建模方式，使其能够在仿真中得以应用，这需要更加全面的实验数据，以及不断的实验修正完善，建议开展进一步的工作，指导车辆的研发工作；
（3）研究过程中未涉及到的针对在不同的环境温度、不同的海拔下的车辆运行中相关参数的改变，涉及车辆工程以外的跨学科知识，分析难免存在局限，建议今后进一步得出相应的控制规则，这将可能成为燃料电池汽车能量管理的又一个重点。
参考文献
[1] 傅博. 新能源汽车分类及未来走向[J]. 祖国,2019(8):65-66.
[2] 徐长明. 拈花寻径 潮拍新岸——汽车新四化背景下的用户连接[EB/OL].
http://www.autoreport.cn/hyltzt/20180413/1707367637.html,2018-04-13.
[3] 刘小波. 质子交换膜燃料电池热分布及性能研究[D]. 重庆理工大学,2019.
[4] 中国报告网. 2019 年中国燃料电池行业分析报告-产业发展现状与发展定位研究[R]. 北京:中国报告网,2019.
[5] 王乐萍，张连洪，宋海民等. 接触电阻对 PEM 燃料电池效率的影响[J]. 电源技术,2013,5:37.
[6] 张连洪，谢春刚，徐家福等. 温度、压力和湿度对 PEMFC 堆电效率的影响[J]. 天津大学学报,2007,40(5):594-598.
[7] 王天宏，李奇，尹良震等. 燃料电池系统在线辨识和实时最大效率滑模控制方法[J]. 中国机电工程学报,2019,39(17):5118-5128.
[8] 陈士忠. 质子交换膜燃料电池水管理的试验与模拟[D]. 大连:大连理工大学,2010.
[9] Zhang Y, Ouyang M, Lu Q, Luo Jianxi, Li Xihao. A model predictingperformance of proton exchange membrane fuel cell stack thermal systems[J]. Applied Thermal Engineering,2004;24:501-13.
[10] Li X, Cao G-Y, Zhu X-J. Modeling and control of PEMFC based onleast squares support vector machines[J]. Energy Conversion and Management, 2006;47:1032-50.
[11] 谭保华. 车用质子交换膜燃料电池湿度软测量研究[D]. 武汉理工大学,2014.
[12] 蒋卫. 基于内阻测试的 PEM 燃料电池湿度控制系统设计[D]. 武汉理工大学,2009.
[13] 崔保庄. 阳极水含量对车用燃料电池性能影响研究[D]. 北京建筑大学,2019.
[14] Iranzo A, Boillat P.CFD simulation of the transient gas transport in aPEM fuel cell cathode during AC impedance testing considering liquidwater effects[J]. Energy,2018,158:449-457.
[15] Futter G A, Gazdzicki P, Friedrich K A, et al. Physical modeling of Pol-ymer electrolyte membrane fuel cells: Understanding water managementand impedance spectra[J]. Journal of Power Sources,2018,391:148-161.
[16] Abdollahzadeh M, Ribeirinha P, Boaventura M, et al. Three-dimensionalmodeling of PEMFC with contaminated anode fuel[J]. Energy,2018,152:
939-959.
[17] Das PK, Li X, Liu Z-S. A three-dimensional agglomerate model for thecathode catalyst layer of PEM fuel cells[J]. Journal of Power Sources,2008(4):152-155.
[18] Hu M, Gu A, Wang M, Zhu X-J, Yu L. Three dimensional, two phase f-low mathematical model for PEM fuel cell: part I. Model development[J].
Energy Conversion and Management,2004;45:1861-82.
[19] Kuo J-K, Yen T-H, Chen C-K. Three dimensional numerical analysis ofPEM fuel cells with straight and wave-like gas flow fields channels[J]. Jo-urnal of Power Sources,2008;177:96-103.
[20] Yang F, Zhu X-J, Cao G-Y, Hu W-Q. Nonlinear predictive control of amolten carbonate fuel cell stack[J]. Journal of Power Sources,2008;183:253-256.
[21] Li C-H, Zhu X-J, Cao G-Y, Sheng S, Hu M-R. Identification of the Ha-mmerstein model of a PEMFC stack based on least squares support vectormachines[J]. Journal of Power Sources 2008;175:303-16.
[22] Hu P, Cao G-Y, Zhu X-J, Li J. Modeling of proton exchange membranefuel cell based on the hybrid particle swarm optimization with Levenberg-Marquardt neural network[J]. Simulation Modelling Practice and Theory,2010;18:574-88.
[23] McKay D.A, Stefanopoulou A.G, Jeffrey cook. Model and experimentalvalidation of a controllable membrane-type humidifier for fuel cellapplications[C]. American control conference.Washington:2008.p.312-7.
[24] Pukrushpan JT, Peng H, Stefanopoulou AG. Control-oriented modeling andanalysis for automotive fuel cell systems[J]. Journal of Dynamic SystemsMeasurement and Control,2004;126:14-25.
[25] Lauzze KC, Chmielewski DJ. Power control of a polymer electrolyte me-mbrane fuel cell[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research 2006;45:
4661-70.
[26] Golbert J, Lewin DR. Model-based control of fuel cells: regulatory contro-l[J]. Journal of Power Sources,2004,135:135-51.
[27] Golbert J, Lewin DR. Model-based control of fuel cells:optimal efficiency[J]. Journal of PowerSources,2007;173:298-309.
[28] Karnik AY, Sun J, Stefanopoulou AG, Buckland JH. Humidity and press-ure regulation in a PEM fuel cell using a gain-scheduled static feedbackcontroller[J]. IEEE Transaction on Control Systems Technology 2009;17:283-97.
[29] Methekar RN, Prasad V, Gudi RD. Dynamic analysis and linear control s-trategies for proton exchange membrane fuel cell using a distributed para-meter model[J]. Journal of Power Sources 2007;165:152-70.
[30] Bianchi F D, Kunusch C, Ocampo-Martinez C, et al. A Gain-ScheduledLPV Control for Oxygen Stoichiometry Regulation in PEM Fuel CellSystems[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2014, 22(5):1837-1844.
[31] 杨武，裴普成，武洁云等. 燃料电池发动机空气系统特性的仿真[J]. 清华大学学报：自然科学版, 2004(5):705-708.
[32] 贾昭东. 燃料电池空气供应控制技术研究[D]. 同济大学,2014.
[33] Thomas, C.E. Alternative Vehicles Compared[EB/OL]. Web.03 Mar.2014.http:Clean car options.com.
[34] Balasubramanian, Bhaskar, Frano Barbir, and Jay Neutzler. Optimal Opera-ting Temperature and Pressure of PEM Fuel Cell Systems in AutomotiveApplications[J]. Tech.U.S. Department of Energy,31 May 2013.
[35] Bove, R, S. Ubertini. Modeling Solid Oxide Fuel Cells: Methods, Proced-ures and Techniques[J]. Berlin: Springer,2008.25-36.Print.
[36] 王文东，陈实，吴锋. 温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响[J]. 能源研究与信息,2003,19(1):39-46.
[37] 陈维荣，张翰月，李奇. 质子交换膜燃料电池综合动态模型分析[J]. 西南交通大学学报,2012,47(06):1003-1008.
[38] 吴兆汉. 内燃机设计[M]. 北京:北京理工大学出版社,1990.
[39] Becherif M, Hissel D. MPPT of a PEMFC based on air supply control ofthe motocompressor group[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(22):12521-12530.
[40] Pesaran, Ahmad. Battery Requirements for Plug-In Hybrid Electric Vehicl-es Analysis and Rationale[C]. Tech.no.NREL/CP-540-42240.Golden, CO:Na-tional Renewable Energy Laboratory,2009.Print.
[41] 陶泽炎. 基于内阻检测的 PEMFC 温湿度特性及控制规则研究[D]. 中国计量大学,2016.
[42] YI J S, NUGYEN T V. An along the Channel Model for Proton Exchan-ge Membrane Fuel Cells[J]. J Electrochemical Society, 2005, 140: 1149-1159.
[43] MOND L, LANGER C. A new form of gas battery[J]. Proceedings of theRoyal Society of London,2000,46:296-304.
[44] 王乐萍,张连洪. 接触电阻对 PEM 燃料电池效率的影响[J]. 电源技术,2013.
[45] Pukrushpan J T, Stefanopoulou A G, Peng H. Control of Fuel Cell Breat-hing[J]. IEEE Control Systems,2004,24(2):30-46.
[45] 杨顺风. PEMFC 混合动力系统开发及燃料气体压强非线性控制研究[D].西南交通大学, 2010.
[46] 张立炎，潘牧，全书海. 燃料电池空气供应系统建模与动态仿真的研究[J].
系统仿真学报,2008,20(4):850-854.
[47] 刘述奎，陈维荣，李奇等. 基于自适应聚焦粒子群算法的电力系统优化[J].
电力系统保护与控制,2009,37(13):1-6.
[48] Larminie J E, Dicks A L. Fuel Cell System Explained[J]. Journal of Po-wer Sources,2013,84(2):194–200.
[49] 马天才. 燃料电池发动机控制问题研究-系统分析与建模[D]. 同济大学,2007．[50] Jay Tawee Pukrushpan. Modeling and control of fuel cell systems and fu-el processors[D]. University of Michigan,2003．[51] 廉乐明. 工程热力学(第四版)[M]. 北京:中国工程建筑出版社,2000.
[52] 欧阳旭. PEM 燃料电池助动车控制系统的研究与设计[D]. 西南交通大学,2012.
[53] 李洁. 燃料电池温度控制研究[D]. 武汉理工大学,2014.
[54] 谷靖，卢兰光，欧阳明高. 燃料电池系统热管理子系统建模与温度控制[J].
清华大学学报,2007,11(47):25-36.
[55] 王鸿明. 电工技术与电子技术[M]．北京：清华大学出版杜,1999.
[56] 刘逢. 汽油机进气控制算法研究[D]. 中北大学,2014.
[57] 阿伦·J·巴德, 拉里·R·福克纳. 电化学方法·原理和应用[M], 2005,05(02):61-80.
[58] 陈士忠，吴玉厚. 加湿对 PEMFC 性能的影响[J]. 电池,2007,05:333-335.
[59] 陈维荣，李艳昆，李岩等. 水冷型质子交换膜燃料电池温度控制策略[J]. 西南交通大学学报,2015,50(03):393-399.
[60] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其 MATLAB 仿真[D]. 北京:北京交通大学出版社.2008.
[61] 刘金琨. 先进 PID 控制 MATLAB 仿真[M]. 北京:电子工业出版社.2004.
[62] 马晓军, 陈晓峰. 基于模糊模式的质子交换膜燃料电池水管理控制[J]. 装甲兵工程学报,2015,29(04):76~79.