直接内重整熔融碳酸盐燃料电池的建模与控制

论文摘要

21世纪，世界经济发展和资源环境的矛盾日益突出。燃料电池技术，特别是熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）技术是一种高效环保的化石燃料利用技术，在MCFC当中加入直接内重整以后可以进一步提高系统的效率，降低系统的复杂程度和成本。近些年世界各地许多实验性DIR-MCFC电站的建立和运行证明了这种技术的有效性。但是成本，稳定性和寿命等问题仍然困扰着科学家，成为这种高效环保发电技术进一步向商业化发展的主要障碍。为了改进DIR-MCFC的性能，就需要更加深入得了解DIR-MCFC内部的特性。然而，DIR-MCFC工作在高温（650℃）、封闭、复杂的环境下，内部状态测量极为困难，试验分析代价很高，有时几乎是不可能的，目前还只能小规模地对DIR-MCFC的部分参数和变量进行测量和分析。相对而言，对DIR-MCFC的数值分析成本较低，并且可以加深对DIR-MCFC内部一些物理量的分布和反应机理的认识。本文对DIR-MCFC内部特性建模和温度控制进行了研究，取得了较好效果，主要工作和内容如下：（1）基于物质、动量和能量守恒定律及一系列物理和化学方程，对DIR-MCFC的工作原理、电堆及三维特性进行理论分析，为后面章节进一步建立模型和进行控制打下基础。（2）在模型假设条件下对模型进行了简化分析，应用已知的实验数据，建立了一个两维简化模型，应用反复迭代的方法得出了电池内部温度分布和化学反应速率分布的曲线。仿真的结果有助于控制方案和流场设计以及电池材料的选择。通过对仿真的分析提出了一种通过改善电池内部重整反应催化剂担量来改善电池内部温度分布的方法。（3）在对DIR-MCFC特性分析的基础上，应用RBF神经网络辨识方法建立了电池的燃料利用率控制模型和温度控制模型。通过仿真结果与实验结果的比较，表明了上述模型的有效性。（4）以建立的RBF神经网络模型为对象，应用双通道控制策略对DIR-MCFC进行控制，通道一的控制量是阳极气体流速被控量是阳极气体的利用率，通道二的控制量是阴极气体流速被控量是电池体出口的温度。仿真分析表明了这种控制策略的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池技术的概述
• 1.1.1 燃料电池的基本原理
• 1.1.2 燃料电池技术的历史及发展现状
• 1.1.3 燃料电池技术的优势和当前所面临的问题
• 1.2 熔融碳酸盐燃料电池建模和控制的概述
• 1.2.1 MCFC的静态模型
• 1.2.2 MCFC的动态模型
• 1.2.3 MCFC控制方面的研究现状
• 1.3 DIR-MCFC的特点和主要研究课题
• 1.4 本文的主要工作
• 2 DIR-MCFC的原理与分析
• 2.1 引言
• 2.2 DIR-MCFC的工作原理
• 2.2.1 MCFC单体的组成和原理
• 2.2.2 DIR-MCFC的原理
• 2.2.3 DIR-MCFC电堆
• 2.2.4 DIR-MCFC发电系统
• 2.3 直交流型DIR-MCFC电堆的分析
• 2.3.1 电堆结构
• 2.3.2 电堆中的物质和热的传输过程
• 2.3.3 电堆中的电化学反应和重整反应
• 2.4 直交流型DIR-MCFC的三维特性分析
• 2.4.1 物质守恒方程
• 2.4.2 动量守恒方程
• 2.4.3 能量守恒方程
• 2.4.4 电堆的伏安特性
• 3 DIR-MCFC建模与分析
• 3.1 引言
• 3.2 模型的简化分析
• 3.2.1 模型的假设条件
• 3.2.2 物质守恒方程和反应平衡方程
• 3.2.3 热平衡方程
• 3.3 DIR-MCFC建模
• 3.3.1 实验数据
• 3.3.2 仿真算法
• 3.3.3 仿真结果与分析
• 3.3.4 讨论
• 4 基于RBF神经网络的DIR-MCFC控制模型与温度控制
• 4.1 引言
• 4.2 DIR-MCFC系统的动态分析
• 4.3 基于RBF神经网络的DIR-MCFC温度控制模型
• 4.3.1 RBF神经网络
• 4.3.2 基于RBF神经网络的输入输出建模方法
• 4.3.3 DIR-MCFC控制模型的辨识
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 基于RBF神经网络模型的DIR-MCFC双通道控制
• 4.4.1 双通道控制策略
• 4.4.2 参数自适应调整的模糊控制
• 4.4.3 仿真分析
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间发表的学术论文