固体氧化物燃料电池的仿真和控制

发布时间：2021-05-18 16:12

　　固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）是一种将化学能直接转化为电能的发电装置,具有噪音小、无污染、发电效率高等优点,在能源制造中有广泛的研究前景。电池在日常的使用中,既要达到外部负载要求又要在电池安全范围内运行,SOFC的热电特性的有效管理和控制,有利于延长电池的使用寿命,为此,本文以千瓦级纯氢管式SOFC为研究对象。从电池输出电压和电池工作温度两方面地进行了动态建模与控制研究。本文由此展开了如下研究:（1）根据质量守恒、能量守恒、经典热力学公式搭建了九阶管式固体氧化物燃料电池的热模型和电化学模型。进行了进口的电流、氢气流率、空气流率对电池功率、电压、温度稳瞬态影响的分析。结果表明该模型在稳态和瞬态工况下都能反应固体氧化物燃料电池的真实运行状态。（2）针对所搭建的管式固体氧化物燃料电池模型,设计多输入多输出模型预测控制器,在负载电流变化的情况下,调整电池的进口氢气和进口空气,使电池输出的电压和温度保持稳定,且燃料利用率在合理范围。控制结果表明模型预测控制器对于强耦合、非线性系统的固体氧化物燃料电池模型电压和温度控制具有较好效果。（3）基于所搭建的九阶... 

【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 选题背景与意义
    1.2 燃料电池的工作原理和分类
    1.3 国内外发展现状
        1.3.1 SOFC系统现阶段组成结构
        1.3.2 SOFC的建模研究现状
        1.3.3 SOFC的控制研究现状
    1.4 本文的研究内容及章节安排
第2章 管式固体氧化物燃料电池机理建模
    2.1 SOFC电池堆工作原理
    2.2 热力学模型
        2.2.1 空气供应管中的空气能量守恒
        2.2.2 空气供应管的能量守恒
        2.2.3 阴极管道内空气的能量守恒
        2.2.4 阳极管道内燃料的能量守恒
        2.2.5 电池三相反应界面的能量守恒
    2.3 电力学模型
        2.3.1 质量守恒方程
        2.3.2 扩散状态
        2.3.3 活化极化
        2.3.4 欧姆极化
        2.3.5 浓差极化
    2.4 固体氧化物燃料电池安全运行条件
        2.4.1 燃料利用率
        2.4.2 电池工作温度
        2.4.3 汽碳比
        2.4.4 其他安全条件
    2.5 总结
第3章 管式固体氧化物燃料电池稳瞬态分析
    3.1 SOFC电池堆稳态特性分析
        3.1.1 不同燃料流量情况下电池堆的电压特性
        3.1.2 不同温度下电池堆的电压特性
    3.2 电池堆瞬态特性分析
        3.2.1 进口燃料气体流量阶跃输入下电池的特性
        3.2.2 进口空气流量阶跃输入下电池的温度特性
        3.2.3 电流阶跃输入下电池的温度特性
    3.3 总结
第4章 管式固体氧化物电池堆电压和温度协同控制策略研究
    4.1 固体氧化物燃料电池模型及空间状态方程
    4.2 模型预测控制
        4.2.1 模型预测控制理论的介绍
        4.2.2 模型预测控制的原理
        4.2.3 模型预测控制器的设计
    4.3 基于模型的模型预测控制器设计
    4.4 仿真分析
    4.5 总结
第5章 管式固体氧化物燃料电池功率和温度协同控制策略
    5.1 对功率影响仿真分析
        5.1.1 输入电流对电池功率影响仿真分析
        5.1.2 氢气流率对电池功率影响仿真分析
        5.1.3 空气流率对电池功率影响仿真分析
        5.1.4 温度对电池功率影响仿真分析
    5.2 管式SOFC空间状态方程
    5.3 滑膜控制器介绍
        5.3.1 滑膜控制器原理
    5.4 滑膜控制器的设计
    5.5 仿真分析
    5.6 总结
总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献


【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池：发展现状与关键技术[J]. 李箭.  功能材料与器件学报. 2007(06)
[2]中国新能源和可再生能源发展纲要（1996—2010）[J]. 石定寰.  太阳能. 1995(03)
[3]斯特藩－玻尔兹曼辐射定律及其应用[J]. 曹鼎汉.  红外技术. 1994(03)

博士论文
[1]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
[2]固体氧化物燃料电池发电系统动态建模与控制[D]. 曹红亮.华中科技大学 2012
[3]中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究[D]. 杨杰.华中科技大学 2009

硕士论文
[1]300MW机组主汽温系统预测控制方案研究[D]. 高山.华北电力大学 2015
[2]多变量系统的动态矩阵控制算法的实现及仿真[D]. 刘冉.电子科技大学 2004



本文编号：3194095