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)是一個將化石燃料中的化學能直接轉換為電能的電化學裝置，其中沒有燃燒過程和機械運動，從而使其具有高效率、零污染、無噪音等特點。與以燃燒為基礎的傳統發(fā)電方式相比，SOFC技術極大地降低了化石燃料在能量轉換中的能量損失和對生態(tài)環(huán)境的破壞；與低溫工作的質子交換膜燃料電池(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對電極的毒化，降低了對燃料質量的要求，增加了燃料選

2、擇的靈活性(如天然氣、煤氣、生物質氣體、柴油以及其它碳氫化合物)；與相對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，沒有液態(tài)的熔鹽腐蝕介質，避免了燃料電池材料的熱腐蝕。SOFC在固定電站、移動電源、交通運輸以及軍事等領域有著廣泛的應用前景，其成功應用對于緩解能源危機、滿足人類對電力數量和質量的要求、保護人類的生存環(huán)境以及保障國家安全都具有重大的意義。由于SOFC處于高溫、封閉的環(huán)境，單靠試驗的研究成本高、實

3、施困難，與試驗方法相比，數值模擬和仿真則經濟、容易實施。因此，本文先對SOFC的輸出特性進行辨識建模；然后對SOFC進行動態(tài)建模理論分析和數值模擬；考慮到SOFC的性能和壽命很大程度上取決于其運行溫度，并根據當前SOFC控制模型和控制策略是國內外研究的薄弱環(huán)節(jié)的現狀，本文從SOFC模型簡化建立溫度控制非線性模型，并進行了溫度控制策略研究；由于燃料過度使用或未充分利用都會使SOFC的實際性能受到很大影響，同時為了滿足DC型負載的電壓需求，

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SOFC的燃料利用率和輸出電壓進行控制，并進行了仿真研究。本文的主要工作包括： 1.為了更深入地研究運行參數對SOFC輸出性能的影響，首次基于最小二乘支持向量機(LS-SVM)辨識方法建立了SOFC的輸出性能模型。與傳統的SOFC建模方法相比，該建模方法能夠更方便地實現多參數建模，并且模型結構簡單，精度高。該建模方法還可以實現在線實時建模，可方便地應用于S

5、OFC的控制系統中。 2.基于物質、動量和能量守恒定律，分別建立了順流型SOFC電池堆中心單電池的質量平衡子模型、動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；基于熱力學和電化學理論，建立了SOFC的電化學子模型。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計奠定基礎。 3.通過對所建立的SOFC動態(tài)模型進行簡化，得到SOFC的溫度、氣體流速、組分摩爾分率等參數的模型，對SOFC內部的過程進行了

6、理論分析和數值模擬。采用有限差分法對溫度模型進行數值解析，并進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數值模擬仿真，得到一系列仿真結論。這些研究有助于控制方案和流場設計，以及電池材料的選擇。 4.根據推導出的溫度模型，以SOFC電池堆中心單電池出口處的參數為對象，首次推導出有明確輸入輸出控制關系的SOFC操作溫度的控制非線性模型。基于輸入輸出反饋線性化，設計了SOFC操作溫度的變結構控制系統。仿真結果證明了所設計變結構控制方案的有效性。 5.為了

7、保護SOFC電池堆和滿足直流型負載的電壓需求，設計了兩個控制環(huán)分別對SOFC的燃料利用率和輸出電壓進行控制。為了滿足控制系統的設計需要，首先建立了SOFC輸出電壓的含輸入自回歸(ARX)辨識模型；然后先設計一個主控制環(huán)將燃料利用率控制在其允許范圍內，接著基于ARX模型分別進行P-型、PI-型和PD-型三種迭代學習控制(ILC)方案設計。仿真結果證明了所設計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、燃料處理器的動態(tài)特性，為了便于控制系統設計，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高的預測精度，所以在控制燃料利用率為常量的條件下，以所建立的Hammerstein模型代替實際的SOFC設計了非線性模型預測(MPC)控制器，并首次提出采用一種改進的廣義極值優(yōu)化(GEO)算法優(yōu)化控制序列的方法。仿真結果表明，與國外作者在相同條件下設計的PI控制器相比，本文設計的MPC控制器具有較好的電壓控制效