直接甲醇燃料電池的建模與控制研究.pdf

1、燃料電池發(fā)電技術(shù)已被認(rèn)為是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四大能量轉(zhuǎn)化發(fā)電方式，是二十一世紀(jì)全新高效、節(jié)能、清潔的發(fā)電方式之一。直接甲醇燃料電池(DMFC)作為其中的一種，除了具有燃料電池的共性特點(diǎn)外，還具有室溫快速啟動(dòng)、無腐蝕、裝置輕便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。此外，由于DMFC是直接采用甲醇作為燃料，而甲醇在室溫下為液態(tài)，具有高能量密度，價(jià)格便宜，存儲(chǔ)攜帶方便。與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)相比，DMFC不需要甲醇重整機(jī)

2、構(gòu)，避免了系統(tǒng)整體效率的降低和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要集中在電子產(chǎn)品電源(手機(jī)、PDA、筆記本電腦等電源)，移動(dòng)電源(通訊移動(dòng)電源、作戰(zhàn)武器電源、運(yùn)輸工具移動(dòng)電源等)，分散電源(偏遠(yuǎn)地區(qū)小型分散電源、家庭不間斷電源、KW級(jí)的固定發(fā)電裝置)等領(lǐng)域。90年代初，由于Nation的成功研制，DMFC電極性能得到了極大的提高，致使全球許多發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)DMFC的研究產(chǎn)生了積極的關(guān)注，并為此成立的一些研究機(jī)構(gòu)，投入了大筆的資金。目前，

3、DMFC已開始逐步走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入筆記本電腦、手機(jī)等便攜式電源的應(yīng)用領(lǐng)域。 本文課題源自于上海交通大學(xué)燃料電池研究所正在進(jìn)行的DMFC單電池及電堆發(fā)電系統(tǒng)的研制，針對(duì)DMFC的輸出特性、模型、控制方面的問題進(jìn)行了研究。本論文的主要工作包括： 1.基于電池實(shí)驗(yàn)和輸出特性數(shù)學(xué)模型模擬仿真這兩種方法，本文定性地分析了影響DMFC輸出性能的因素。DMFC輸出性能是反映電池性能好壞的綜合體現(xiàn)。論文將影響DMFC輸出性能的因素分為兩類

4、，一類為運(yùn)行參數(shù)，它包括DMFC運(yùn)行的溫度，陰陽極壓力，反應(yīng)物的濕度和流量等；另一類是材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括元件材料、元件的結(jié)構(gòu)尺寸及加工和DMFC的組裝等。本文的重點(diǎn)是研究DMFC在運(yùn)行過程中如何通過調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)提高電池的輸出特性。 2.為了更深入地了解運(yùn)行參數(shù)對(duì)DMFC輸出性能的影響，本文采用基于ROLS算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立不同工作溫度、壓力、甲醇濃度、甲醇流速、空氣流速、陰極氣體增濕溫度等情況下的D

5、MFC輸出特性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該建模方法與傳統(tǒng)的DMFC建模方法相比能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)多參數(shù)建模，并且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高。所建模型能夠方便的應(yīng)用于DMFC的系統(tǒng)控制中。 3.基于所建立的電池輸出特性經(jīng)驗(yàn)機(jī)理模型，通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析，發(fā)現(xiàn)模型中一些系數(shù)的取值對(duì)模型精度有較大影響。在模型預(yù)測(cè)中，這些系數(shù)都是取實(shí)驗(yàn)測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)值，因此很難較大范圍地適應(yīng)于電池實(shí)際運(yùn)行條件，能夠造成模型精度降低的問題。為了提高模型的預(yù)測(cè)精度，本文提出了采用

6、遺傳算法對(duì)模型中的系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)優(yōu)化的思路，使DMFC輸出特性經(jīng)驗(yàn)機(jī)理模型的輸出與電池實(shí)際的電壓/電流密度響應(yīng)之間的誤差達(dá)到預(yù)定的精度要求。仿真和實(shí)驗(yàn)不僅證明了本文設(shè)計(jì)的遺傳算法的有效性，同時(shí)也證實(shí)了采用遺傳算法優(yōu)化模型系數(shù)，提高模型精度的思路是正確的。 4.由于DMFC的工作溫度對(duì)反應(yīng)物質(zhì)的傳輸特性、質(zhì)子膜水合程度、催化劑反應(yīng)活度等因素有重要的影響，而這些因素決定著電池的輸出性能和使用壽命。因此，如何把溫度控制在給定范圍內(nèi)，減小

7、溫度波動(dòng)是提高DMFC輸出性能的關(guān)鍵。本文首先采用基于粒子群優(yōu)化算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的方法建立了DMFC電堆的溫度模型，然后基于該溫度辨識(shí)模型，分別采用基于Rough集理論的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制這兩種方法對(duì)影響溫度的有效操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，目的使電池的工作溫度保持在較佳的狀態(tài)下。根據(jù)控制結(jié)果，本文總結(jié)了這兩種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的基于Rough集理論的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器性能優(yōu)越。其次，在對(duì)D

8、MFC電壓控制方面，本文主要研究在電流產(chǎn)生了連續(xù)跳變的情況下，通過調(diào)整燃料流速，進(jìn)而使電池的輸出電壓受電流跳變的影響達(dá)到最小，能夠使電池運(yùn)行在其期望值。對(duì)電壓進(jìn)行有效控制的最終目標(biāo)依然是保證DMFC具有良好的輸出特性，提高電池的使用壽命，防止電池?fù)p壞。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于Rough集理論的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器，在電流連續(xù)階躍跳變的情況下，依然能夠使電池的輸出電壓平滑、迅速、穩(wěn)定地到達(dá)設(shè)定電壓值，而且在控制過程中盡可能減少了電壓的波