基于衰老和故障演变机制的SOFC系统建模与控制优化研究
发布时间：2021-08-30 19:06
固体氧化物燃料电池（SOFC）技术由于其清洁高效等优势被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。经过数十年发展,SOFC技术逐渐走向成熟,但高成本、短寿命仍然是阻碍着其大规模商业化应用的重要瓶颈。在长期运行中,系统发生性能衰减并演变为故障从而导致动静态特征发生变化,使得已有系统控制设计面临参数失配、控制失效等问题。本文以1kW水蒸气外重整SOFC独立发电系统作为研究对象,深入开展SOFC系统性能衰减与故障演变机制研究,在领域内首次建立SOFC多模态模型并构建完整的健康度评价体系,最后基于该体系实现SOFC系统控制优化。本文对SOFC系统性能衰减与故障演变机制进行了深入分析,提取了常见衰减与故障类型,利用SOFC系统长期测试数据对性能衰减因素与故障演变过程进行了物理等价再现,基于Stateflow平台建立了包含多种性能衰减与故障演变模态的SOFC系统机理模型并进行实验验证。定义了性能衰减条件下SOFC系统的最优操作点（OOP）,设计了基于遗传-粒子群优化算法的快速搜索方法获取不同衰减情形下的OOP,分析其漂移特性为后续控制优化提供数学基础,并针对不同故障情形分析了不同故障参数下系统的动静...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图（纯氢气示例）
图 2-1 SOFC 电堆性能衰减导图：其中用橙色标明的是多模态建模过程中重点关注的机制物理结构形变类我们尝试对热应力衰减机制进行建模。电池在工作过程中由于发热量与温度分布不均衡会形成温度与温度梯度场，不同材料的不同膨胀系数以及同种材料在不同温度下的不同膨胀情况都会使电池内部产生热应力，从而使电池产生物理形变使阳极-电解质-阴极之间的接触变差，导致活化损失与欧姆损失增加，当温度梯度较大、物理形变较为严重时甚至会引发电池破裂。从已有实验现象中可以观察到电堆温度梯度与实际性能的关联性，因此我们希望辨识出热应力对电堆性能的实际影响方式与程度。结构应力由于缺乏足够研究手段而未纳入重点。微观组织变化类选择了阳极镍粗结和阴极粒子粗结、扩散这两种机制。阳极镍粗结是微观层面上阳极镍粒子由于趋向于表面能最小而发生聚集的过程，这会导致发生电化学反应的三相界面长度变短，进而使电池阳极活化损失增加，这种衰减机制在SOFC 中几乎不可避免，因此需要考虑其在电堆性能衰减中的贡献；阴极粒子粗结、
Stateflow模块搭建示例：上图为最外层（状态机），下图左为一级子状态（初始化与运行），下图右为二、三级子状态（各独立故障）
【参考文献】：
期刊论文
[1]SmBaCo2-xNixO5+δ阴极材料的性能[J]. 纪岩龙,袁晓佳,张华. 南京工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料[J]. 韩敏芳,张永亮. 硅酸盐学报. 2017(11)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池界面稳定性及耐硫性研究[D]. 高克卿.哈尔滨工业大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
[3]中温固体氧化物燃料电池La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ阴极的性能稳定性及衰减机理研究[D]. 刘毅辉.华中科技大学 2013
[4]平板式固体氧化物燃料电池系统的动态建模与控制[D]. 蒋建华.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池阳极制备及稳定性能研究[D]. 杨洋.安徽理工大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池的故障预测[D]. 叶倩文.电子科技大学 2017
[3]风光互补智能控制器的研究[D]. 杨菲.新疆大学 2013
[4]固体氧化物燃料电池监测和故障诊断平台的研制[D]. 胡刚.华中科技大学 2012
[5]发动机转矩管理对车辆操纵稳定性的影响[D]. 林叶.吉林大学 2009
本文编号：3373337
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC工作原理图（纯氢气示例）
图 2-1 SOFC 电堆性能衰减导图：其中用橙色标明的是多模态建模过程中重点关注的机制物理结构形变类我们尝试对热应力衰减机制进行建模。电池在工作过程中由于发热量与温度分布不均衡会形成温度与温度梯度场，不同材料的不同膨胀系数以及同种材料在不同温度下的不同膨胀情况都会使电池内部产生热应力，从而使电池产生物理形变使阳极-电解质-阴极之间的接触变差，导致活化损失与欧姆损失增加，当温度梯度较大、物理形变较为严重时甚至会引发电池破裂。从已有实验现象中可以观察到电堆温度梯度与实际性能的关联性，因此我们希望辨识出热应力对电堆性能的实际影响方式与程度。结构应力由于缺乏足够研究手段而未纳入重点。微观组织变化类选择了阳极镍粗结和阴极粒子粗结、扩散这两种机制。阳极镍粗结是微观层面上阳极镍粒子由于趋向于表面能最小而发生聚集的过程，这会导致发生电化学反应的三相界面长度变短，进而使电池阳极活化损失增加，这种衰减机制在SOFC 中几乎不可避免，因此需要考虑其在电堆性能衰减中的贡献；阴极粒子粗结、
Stateflow模块搭建示例：上图为最外层（状态机），下图左为一级子状态（初始化与运行），下图右为二、三级子状态（各独立故障）
【参考文献】：
期刊论文
[1]SmBaCo2-xNixO5+δ阴极材料的性能[J]. 纪岩龙,袁晓佳,张华. 南京工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料[J]. 韩敏芳,张永亮. 硅酸盐学报. 2017(11)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池界面稳定性及耐硫性研究[D]. 高克卿.哈尔滨工业大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
[3]中温固体氧化物燃料电池La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ阴极的性能稳定性及衰减机理研究[D]. 刘毅辉.华中科技大学 2013
[4]平板式固体氧化物燃料电池系统的动态建模与控制[D]. 蒋建华.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池阳极制备及稳定性能研究[D]. 杨洋.安徽理工大学 2017
[2]固体氧化物燃料电池的故障预测[D]. 叶倩文.电子科技大学 2017
[3]风光互补智能控制器的研究[D]. 杨菲.新疆大学 2013
[4]固体氧化物燃料电池监测和故障诊断平台的研制[D]. 胡刚.华中科技大学 2012
[5]发动机转矩管理对车辆操纵稳定性的影响[D]. 林叶.吉林大学 2009
本文编号：3373337
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3373337.html
