直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、近年來,對燃料電池技術(shù)的研究引起了多家研究機(jī)構(gòu)的廣泛興趣.在許多商業(yè)領(lǐng)域都有其應(yīng)用前景.直接甲醇燃料電池(DMFC)直接以甲醇為燃料,甲醇具有較高的電化學(xué)活性,體積能量密度較高,其水溶液易于攜帶和存儲,無需中間轉(zhuǎn)化裝置,DMFC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單.在相同的功率密度下,DMFC 體積小,成本低,特別適用于便攜式電源和車用動力電源. 為了改進(jìn)DMFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能,則必須對DMFC的運(yùn)行過程和影響因素進(jìn)行深入的研究.由于DMFC系統(tǒng)

2、本身的復(fù)雜性,很難獲得DMFC的數(shù)學(xué)模型.本文首先建立了DMFC單電池的電壓模型并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識,然后定量研究了甲醇滲透問題,最后實(shí)現(xiàn)了DMFC電堆溫度的建模和控制.本論文的主要工作有: 1) 分別從DMFC陰極、陽極、電解質(zhì)膜及DMFC整體的角度分類介紹了DMFC模型化研究進(jìn)展,并指出DMFC模型化研究最大的困難在于,研究結(jié)果不能很好地與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,并可能出現(xiàn)較大的偏差.詳細(xì)研究了DMFC的伏安特性,建立了其理論電壓

3、模型,并采用基于L-M算法的改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了不同溫度下DMFC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電壓辨識模型. 2)首先詳細(xì)描述了直接甲醇燃料電池中甲醇滲透的研究進(jìn)展,并進(jìn)一步闡述了它對DMFC電池性能的影響情況.然后推出了一個(gè)MEA的完整模型,模型包括陽極,膜,陰極模型及邊界條件的確定,物理參數(shù)的選取等.使用這個(gè)模型,研究了三種甲醇滲透的可能情況及其對陰極和電池電壓的影響,仿真結(jié)果定量說明了甲醇從陽極滲透到陰極并在陰極發(fā)生了電化學(xué)氧化反應(yīng),這一

4、電化學(xué)反應(yīng)降低了低電流密度時(shí)電池和陰極的電壓. 3)詳細(xì)研究了模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和融合技術(shù),結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),提出了一種全網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的神經(jīng)模糊控制器.它用五層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了模糊控制器的全部功能:模糊化、模糊推理和反模糊.在研究了標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法優(yōu)、缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用多點(diǎn)交叉、災(zāi)變算子、最優(yōu)保留及用模糊控制的方法確定交叉和變異概率等多種改進(jìn)策略設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的遺傳算法.其中針對多目標(biāo)遺傳算法的特點(diǎn),基于模糊集理論,提出一種基

5、于模糊規(guī)則優(yōu)化的模糊遺傳算法及其算法結(jié)構(gòu),即用模糊控制的方法來調(diào)整遺傳算法中的交叉概率和變異概率,同時(shí)尋找與優(yōu)化對象相匹配的最佳模糊規(guī)則.在數(shù)學(xué)函數(shù)上的仿真結(jié)果表明,此種模糊遺傳算法不僅加快了解的收斂速度,而且大大提高了解的質(zhì)量.最后,用改進(jìn)的模糊遺傳算法綜合優(yōu)化神經(jīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù),同時(shí)生成相應(yīng)的神經(jīng)模糊控制器.仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化后得到的神經(jīng)模糊控制器具有較好的動態(tài)性能和較強(qiáng)的魯棒性.以上研究為DMFC溫度系統(tǒng)的控制器

6、設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備. 4)用一個(gè)徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立DMFC電堆的多輸入多輸出非線性溫度模型,并提出了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識方法,從而避開了DMFC電堆的內(nèi)部復(fù)雜性.5)最后,在DMFC電堆溫度控制過程中,將訓(xùn)練好的RBF網(wǎng)絡(luò)模型作為DMFC控制系統(tǒng)的參考模型,設(shè)計(jì)了一個(gè)DMFC電堆的新型自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器,并采用改進(jìn)模糊遺傳算法對神經(jīng)模糊控制器的參數(shù)和規(guī)則進(jìn)行了綜合優(yōu)化.仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的神經(jīng)模糊控制器的性能