固体氧化物燃料电池系统建模及热管理的研究

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1.1 固体氧化物燃料电池概述及其发展
随着社会的发展和全球经济一体化不断深入，能源消耗在快速增加，大量化石 燃料的利用对环境的破坏也日趋严重，能源危机和环境污染问题越来越受全人类的 高度关注。能源体系中有 ８０％依赖化石燃料——煤和石油，这些都是非可再生的资 源，而且，燃料中的化学能必须先转换成热能后才能转换成机械能或者电能，转化 过程中受到卡诺循环的限制和大量能量的损失导致发电效率低下， 一般都在 ３３％以 下。传统的能源利用方式还给人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废 热和噪声的污染。为了满足日益增长的能源需求和保护我们赖以生存的自然环境， 人们一直在努力开发既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式，燃料 电池技术就是其中之一［１－３］。燃料电池是以电化学反应的方式，将燃料的化学能直接 转换为电能，不受到卡诺循环的限制，能量转换效率高，一般在 ４５％左右，如果技 术上加以完善或者综合利用热能，效率可高达 ８５％以上。其反应产物只有水，洁净 无污染［４］。因此，燃料电池被认为是 ２１ 世纪全新的高效、绿色发电方式之一。 经过碱性燃料电池 （ＡＦＣ） ， 磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）， 熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ） 的发展阶段，固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）为第四代燃料电池，除了具有燃料电池 高效率、零污染、低噪音等优点外，以其全固态结构、更高的能量效率以及对煤气、 天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点被誉为最有发展前景的燃 料电池之一。与低温工作的质子膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）相比，除其高效率外，ＳＯＦＣ 还避免了只能使用贵金属电极材料（如 Ｐｔ）的局限性，消除了 ＣＯ 对电极的毒化， 降低了对燃料质量的要求，增加了燃料选择的灵活性（如天然气、煤气、生物质气 体、柴油以及其它碳氢化合物）；与相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ） 相比，ＳＯＦＣ 具有更高的功率密度，没有液态的熔盐腐蚀介质，避免了燃料电池材料 的热腐蚀［５］。ＳＯＦＣ 在固定电站、移动电源、交通运输以及军事等领域有着广泛的应 用前景，其成功应用对于缓解能源危机、满足人类对电力数量和质量的需求、保护
华中科技大学 硕士学位论文 固体氧化物燃料电池系统建模及热管理的研究 姓名：曹红亮 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：邓忠华 20080604
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摘
要
随着能源危机和环境污染问题日趋严重，燃料电池技术的研究工作受到了高度 重视。高温运行的固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）以其全固态结构、更高的能量效率 以及对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点被誉为最有 发展前景的燃料电池之一。目前国内外对 ＳＯＦＣ 的研究主要集中在对电堆材料和结 构等方面，除此之外，我们还需要着重从控制设计等方面着手。 本论文首先从提高燃料的利用率和优化发电系统的输出性能的角度出发，搭建 ＳＯＦＣ 发电系统的系统结构框架；并在对 ＳＯＦＣ 发电系统进行模块化的基础上，搭建 各个子系统机理模型，整合为 ＳＯＦＣ 发电系统的机理模型。然后，以电堆机理模型 为基础，重点分析了电堆温度对系统输出性能的影响，深入研究了 ＳＯＦＣ 发电系统 电堆温度的控制策略，并分别以传统 ＰＩＤ 控制方法和非线性模型预测方法设计了相 应的控制器。通过实验测试，比较两种控制算法下的输出性能指标，非线性模型预 测控制算法能更有效的控制电堆温度。最后，探索性地将先进的 Ｖ 型开发模式引入 到 ＳＯＦＣ 发电系统控制器的开发领域，为控制器的设计提供了一个可供参考的开发 思路。
Key words ： Solid oxide fuel cell，T-S fuzzy model，branch and bound algorithm， ‘ V’ development mode，rapid control prototyping
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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人类的生存环境以及保障国家安全都具有重大的意义。 ＳＯＦＣ 的开发始于 ２０ 世纪 ４０ 年代，但是在 ８０ 年代以后其研究才得到蓬勃发展。 以美国西屋电气公司（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）为代表，研制了管状结构 的 ＳＯＦＣ。 １９８７ 年， 该公司在日本安装的 ２５ｋＷ 级发电和余热供暖 ＳＯＦＣ 系统， 到 １９９７ 年 ３ 月成功运行了约 １．３ 万小时；１９９７ 年 １２ 月，西门子西屋公司（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）在荷兰安装了第一组 １００ｋＷ 管状 ＳＯＦＣ 系统，截 止到 ２０００ 年底关闭，累计工作了 １６６１２ 小时，能量效率为 ４６ ％；２００２ 年 ５ 月，西 门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套 ２２０ｋＷ ＳＯＦＣ 与气体涡轮机 联动发电系统，目前获得的能量转化效率为 ５８ ％。１９９９ 年，美国能源部启动了称 之为 ＳＥＣＡ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｌｌｉａｎｃｅ）的研发计划，集政府、工 业界、大学和研发机构于一体，加速 ＳＯＦＣ 的商业化，从而带来了 ＳＯＦＣ 技术发展的 新时代。加拿大的环球热电公司（Ｇｌｏｂａｌ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｃ．），美国 ＧＥ、Ｚ２ｔｅｋ 等公司在开发平板型 ＳＯＦＣ 上取得进展，正在对 ＫＷ 级模块进行试运行。出于对未来 能源战略、国家安全和环境保护的考虑，世界上许多国家，尤其是发达国家如美国、 欧洲、 日本、 澳大利亚、 韩国等都相继制定了长期研究开发计划，力求在未来的 １０～ １５ 年中，促成 ＳＯＦＣ 技术商业化［６］。 我国最早关于 ＳＯＦＣ 的研究始于 ７０ 年代。从 １９９０ 年以后，在国家科技部，国家 计委（现国家发展与改革委员会）、中国科学院、教育部所属高校、地方政府等的 资助下，中科院上海硅酸盐所、华中科技大学、吉林大学、中国科学院过程工程研 究所、中国科学技术大学、中国矿业大学（北京）、中科院大连化物所、华南理工 大学、中科院山西煤炭所等多家研究机构对在 ＳＯＦＣ 关键材料和制备工艺等方面相 继开展了探索和研究工作，积累了宝贵的经验［７，８］。鉴于世界燃料电池技术的快速发 展和我国长远发展的战略需要，国家计委在 １９９７ 年提出的中国洁净煤技术到 ２０１０ 年的发展纲要中，把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的 １４ 项技术重点发展目标之 一 。２０００ 年科技部启动的 ９７３ 基础研究项目投资 ３ 千万元用于氢能的规模制备、 储运和相关燃料电池的研究。我国“九五”期间将“燃料电池技术”列为重大发展 项目。２００７ 年 １２ 月出台的《中国的能源状况与政策》白皮书中指出要加强燃料电
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关键词 ：
固体氧化物燃料电池 Ｔ－Ｓ 模糊模型 分支定界算法 Ｖ 型开发模式 快速控制原型
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Abstract
As energy crises and environmental issues worsening, the study of fuel cell technology attracts great attention. High-Temperature solid oxide fuel cell（SOFC） is considered as one of the best development prospects of the 21st Century in the field of fuel cell, owning to its solid structure, high energy efficiency and extensive adaptability to all kinds of fuel gas (for instance, coal gas, natural gas, mixed gas.). At present, the study of SOFC mainly focuses on material and structures of stack. In the meantime, we need to emphasis on aspects like the design of controller, etc. In the thesis, firstly, the system structural framework of SOFC system is built from improving the utilization ratio of fuel and optimizing output performance of system. Based on modularization of SOFC system, mechubsystem are constructed, and then all modules are integrated as a whole mechanistic mode of SOFC system. Secondly, based on stack mechanistic mode, the effects of stack temperature for system output performance are analyzed; the stack temperature control strategies of SOFC power generation system are studied thoroughly; and then the controllers which are based on PID control method and nonlinear predictive control method are designed. The simulation results of two control strategies demonstrate nonlinear predictive control method is more suitable for control of stack temperature. Finally，‘ V’ development mode is introduced for controller development of SOFC power generation system, which is a new method for controller design.