固体氧化物燃料电池系统建模及热管理的研究

论文摘要

随着能源危机和环境污染问题日趋严重,燃料电池技术的研究工作受到了高度重视。高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率以及对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点被誉为最有发展前景的燃料电池之一。目前国内外对SOFC的研究主要集中在对电堆材料和结构等方面,除此之外,我们还需要着重从控制设计等方面着手。本论文首先从提高燃料的利用率和优化发电系统的输出性能的角度出发,搭建SOFC发电系统的系统结构框架;并在对SOFC发电系统进行模块化的基础上,搭建各个子系统机理模型,整合为SOFC发电系统的机理模型。然后,以电堆机理模型为基础,重点分析了电堆温度对系统输出性能的影响,深入研究了SOFC发电系统电堆温度的控制策略,并分别以传统PID控制方法和非线性模型预测方法设计了相应的控制器。通过实验测试,比较两种控制算法下的输出性能指标,非线性模型预测控制算法能更有效的控制电堆温度。最后,探索性地将先进的V型开发模式引入到SOFC发电系统控制器的开发领域,为控制器的设计提供了一个可供参考的开发思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池概述及其发展
• 1.2 SOFC 的原理及特点
• 1.3 SOFC 控制及建模的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容和工作方法
• 1.5 论文结构
• 2 SOFC 发电系统的系统结构设计和动态数学模型搭建
• 2.1 SOFC 发电系统的系统结构设计
• 2.2 电堆动态数学模型的搭建
• 2.3 空压机模型
• 2.4 歧管模型
• 2.5 热交换模型
• 2.6 SOFC 发电系统模型
• 2.7 本章小结
• 3 SOFC 电堆温度控制研究
• 3.1 T-S 模糊模型辨识
• 3.2 控制量滚动寻优
• 3.3 SOFC 电堆温度数值测试研究
• 3.4 本章小结
• 4 V 型快速原型开发模式的研究
• 4.1 V 型快速原型开发模式
• 4.2 处理器在环协调仿真
• 4.3 快速控制原型
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献