固體氧化物燃料電池的建模與控制策略研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一個(gè)將化石燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，其中沒(méi)有燃燒過(guò)程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而使其具有高效率、零污染、無(wú)噪音等特點(diǎn)。與以燃燒為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，SOFC技術(shù)極大地降低了化石燃料在能量轉(zhuǎn)換中的能量損失和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞；與低溫工作的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)相比，除其高效率外，SOFC還避免了使用貴金屬(如Pt)作催化劑的局限性，消除了CO對(duì)電極的毒化，降低了對(duì)燃料質(zhì)量的要求，增加了燃料選

2、擇的靈活性(如天然氣、煤氣、生物質(zhì)氣體、柴油以及其它碳?xì)浠衔?；與相對(duì)高溫工作的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)相比，SOFC具有更高的功率密度，沒(méi)有液態(tài)的熔鹽腐蝕介質(zhì)，避免了燃料電池材料的熱腐蝕。SOFC在固定電站、移動(dòng)電源、交通運(yùn)輸以及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，其成功應(yīng)用對(duì)于緩解能源危機(jī)、滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)電力數(shù)量和質(zhì)量的要求、保護(hù)人類(lèi)的生存環(huán)境以及保障國(guó)家安全都具有重大的意義。由于SOFC處于高溫、封閉的環(huán)境，單靠試驗(yàn)的研究成本高、實(shí)

3、施困難，與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬和仿真則經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)施。因此，本文先對(duì)SOFC的輸出特性進(jìn)行辨識(shí)建模；然后對(duì)SOFC進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模理論分析和數(shù)值模擬；考慮到SOFC的性能和壽命很大程度上取決于其運(yùn)行溫度，并根據(jù)當(dāng)前SOFC控制模型和控制策略是國(guó)內(nèi)外研究的薄弱環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，本文從SOFC模型簡(jiǎn)化建立溫度控制非線(xiàn)性模型，并進(jìn)行了溫度控制策略研究；由于燃料過(guò)度使用或未充分利用都會(huì)使SOFC的實(shí)際性能受到很大影響，同時(shí)為了滿(mǎn)足DC型負(fù)載的電壓需求，

4、分別就不考慮燃料重整和考慮燃料重整兩種情況下的SOFC，提出兩種控制策略對(duì)SOFC的燃料利用率和輸出電壓進(jìn)行控制，并進(jìn)行了仿真研究。本文的主要工作包括： 1.為了更深入地研究運(yùn)行參數(shù)對(duì)SOFC輸出性能的影響，首次基于最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)辨識(shí)方法建立了SOFC的輸出性能模型。與傳統(tǒng)的SOFC建模方法相比，該建模方法能夠更方便地實(shí)現(xiàn)多參數(shù)建模，并且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高。該建模方法還可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)建模，可方便地應(yīng)用于S

5、OFC的控制系統(tǒng)中。 2.基于物質(zhì)、動(dòng)量和能量守恒定律，分別建立了順流型SOFC電池堆中心單電池的質(zhì)量平衡子模型、動(dòng)量守恒子模型和能量守恒子模型，并給出了模型的邊界條件；基于熱力學(xué)和電化學(xué)理論，建立了SOFC的電化學(xué)子模型。所建模型為后面章節(jié)中的溫度、燃料利用率及輸出電壓的控制方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 3.通過(guò)對(duì)所建立的SOFC動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到SOFC的溫度、氣體流速、組分摩爾分率等參數(shù)的模型，對(duì)SOFC內(nèi)部的過(guò)程進(jìn)行了

6、理論分析和數(shù)值模擬。采用有限差分法對(duì)溫度模型進(jìn)行數(shù)值解析，并進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬仿真，得到一系列仿真結(jié)論。這些研究有助于控制方案和流場(chǎng)設(shè)計(jì)，以及電池材料的選擇。 4.根據(jù)推導(dǎo)出的溫度模型，以SOFC電池堆中心單電池出口處的參數(shù)為對(duì)象，首次推導(dǎo)出有明確輸入輸出控制關(guān)系的SOFC操作溫度的控制非線(xiàn)性模型?；谳斎胼敵龇答伨€(xiàn)性化，設(shè)計(jì)了SOFC操作溫度的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制方案的有效性。 5.為了

7、保護(hù)SOFC電池堆和滿(mǎn)足直流型負(fù)載的電壓需求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)控制環(huán)分別對(duì)SOFC的燃料利用率和輸出電壓進(jìn)行控制。為了滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，首先建立了SOFC輸出電壓的含輸入自回歸(ARX)辨識(shí)模型；然后先設(shè)計(jì)一個(gè)主控制環(huán)將燃料利用率控制在其允許范圍內(nèi)，接著基于ARX模型分別進(jìn)行P-型、PI-型和PD-型三種迭代學(xué)習(xí)控制(ILC)方案設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)ILC控制策略的可行性。 6.本文最后著重考慮以天然氣為燃料的情況?？紤]了

8、燃料處理器的動(dòng)態(tài)特性，為了便于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了考慮燃料重整的SOFC輸出電壓的Hammerstein模型。由于該模型具有相當(dāng)高的預(yù)測(cè)精度，所以在控制燃料利用率為常量的條件下，以所建立的Hammerstein模型代替實(shí)際的SOFC設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)(MPC)控制器，并首次提出采用一種改進(jìn)的廣義極值優(yōu)化(GEO)算法優(yōu)化控制序列的方法。仿真結(jié)果表明，與國(guó)外作者在相同條件下設(shè)計(jì)的PI控制器相比，本文設(shè)計(jì)的MPC控制器具有較好的電壓控制效