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质子交换膜燃料电池发电系统氯气回路设计

添加时间:2019/08/06
燃料电池作为一种氯能转换装置,兼顾了能量的高效转化率和污染物的低排放率。其中,质子交换膜燃料电池因其王作温度低、能量密度大的特点,在汽车行业中前景巨大。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  随着社会发展和时代巧技水平的提升,能源紧缺和环境污染已成为当今世界的重点关注问题。氨能储量丰富、能量密度高,是一种极具发展前景的绿色新能源。而燃料电池作为一种氨能转换装置,兼顾了能量的高效转化率和污染物的低排放率,成为众多学者研究的重点。其中,质子交换膜燃料电池因其王作温度低的特点,在巧车行业中前景巨大。然而,燃料电池系统是具有强非线性的多物理域精合系统,在应对汽车后停、低载、怠速等工作状态下存在的赁载大范围波动时,存在输出特性偏软的问题。因此,合理设计并运用控制算法,有利于改善燃料电池表现、提高燃料电池效率和延长燃料电池寿命。而燃料电池系统强非线性、多物理域揭合W及负载大范围波动的问题,化成为质子交换膜燃料电池控制算法设计的主要难点。

  本文针对质子交换膜燃料电池发电系统氯气回路进行研究,建立面向控制的燃料电池发电系统氯气回路模型,模型包含燃料供气、传输、反应、渗透、排气和循环过程。同时,基于模型对因燃料电池质子交换膜气体渗透问题导致的流道氮含量积累问题进行研究,分析氮气积累现象中,电流负载和循环流量对的流道气压和气气浓度的影响。在此基础上,W燃料电池不同管道的管道气压和燃料浓度为控制对象,以实现高效、及时的燃料供给为控制目标,提出两种可行的控制巧略,运用非线性多输入多输出状态反馈控制算法分别设计,并对仿真结果进行对比、分析和验证。除此之外,针对燃料电池系统氨气分压测量难度大的问题,本文还设计了燃料电池氨气分压观测器。将其与控制算法相结合,设计了非线性多输入多输出输出反馈控制算法,增强了控制器的可应用性。算法的稳定性通过李雅普诺夫方法理论分析证明,仿真结果显示其在负载大范围波动下能快速收敛,在参数不确定下具有鲁棒性。

  关键词:燃料电池发电系统;氨气循环回路:气体渗透;非线性多输入多输出控制;分压观测

Abstract

  With the fast developments of society and technology, energy shortages and environmental pollution become key problems of the world. Therefore, hydrogen energy, with its abundant storage and high energy content, shows great potential to be one of the future sustainable energies. As one kind of hydrogen conversion plants.

  fuel cells become hot topics for researchers with high energy conversion efficiency and zero pollutant emission. Among that, Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have special application prospects in transportation fields because of low operating temperature. However, considering the complex characteristics of the fuel cell  systems,  such  as  strong  nonlinearity,  multi-physical  field  coupling  and interdisciplinary fusion, it is a little hard for fuel cells to achieve widely fluctuated car loads tracking caused by the various operating car modes, such as start, stop, low loads and idling. Consequently, adequate control strategies for the fuel cell systems are benefit in improving the performance, increasing the efficiency and prolonging the lifetime of the fuel cells. However, difficulties also exist in the controller design such as the nonlinearity and mufti-physical of the fuel cells, and the widely fluctuated loads of the PEM fuel cells.

  This paper proposes a mufti-input-mufti-output (MIMO) nonlinear control strategy for fuel delivery in PEM fuel cell systems. Specifically, a control oriented dynamic model is developed for the fuel delivery system (FDS) including fuel supply, fuel delivery, electrochemical reaction, membrane permeation, anode bleeding and anode recirculation.  Based on the model, studies on nitrogen permeation and accumulation are discussed with various current loads and recirculation ratios. On this basis, two contrastive control strategies are proposed to maintain adequate fuel supply and suitable anode hydrogen concentration using MIMO nonlinear state feedback control algorithm. Comparison and analysis are presented in the simulation results between these two control strategies. Moreover, hydrogen partial pressure estimations are developed in this paper considering the difficulty in measurements of manifold partial pressures. Combining the estimations and the state feedback control strategy, a MIMO nonlinear output feedback controller is proposed to improve the applicability of the controller. Lyapunov based stability analysis is carried out to analyze the proposed output feedback controller and the observers. Simulation results show the effectiveness of the proposed controller under various current demands.

  Key words:  Fuel cell power systems; Hydrogen recirculation loop; Gas permeation; Nonlinear MIMO control; Partial pressure estimations

  近年来,随着全球汽车巧有量的迅速增长,能源和环境问题日益突出,邑引起当今社会的广泛关注。汽车作为环境污染排放的重要来源,肩负改善交通、保护环境、节约能源等重要责任,中国汽车产业发展节能与新能源汽车刻不容缓,汽车产业步入转型关键时期。氨能具有较高的能量密度,且其氧化产物仅为水,是一种储量丰富的绿色新能源,因此受到当今学者的广泛关注。燃料电池作为一种氯能转换装置,可将氯能通过电化学反应直接转换为电能并生成无污染的产物水,能量转换效率高,零排放,颇具巧究价值。同时,质子交换膜(PEM)燃料电池因其工作温度低、高功率密度的特点,在交通领域具有较大的应用前景。文献[1]分析了燃料电池在纯电动汽车上应用时的零部件配置和参数。文献口]研究一种可用于PEM燃料电池城市公交上的分级控制系统,而文献[3]针对带250W燃料电池的电动自行车中的PEM燃料电池系统建模。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要发展方向之一,在"十五"、"十一五"和"十二五"规划中均被提及,在2015年5月份王信部发布的《中国制造2025》规划中化对燃料电地车辆专口做了规划说明。

  燃料电池发电系统作为燃料电池汽车的关键组成部分之一,其性能研究、控制策略设计与应用对提高燃料电池车辆整车性能和降低燃料电池车辆生产成本具有重大意义。而燃料电池发电系统本身复杂的非线性、多物理域强精合、多学科交叉等特性,成为燃料电池发电系统建模与控制的难点,成为众多学者的研究对象。文献[4]针对燃料电池输出特性偏软的问题,利用迭代学习方法建模,并将模型与实验结果相互应证的问题,W提升燃料电池效率,为燃料电池商用做准备。文献[5]则研究燃料电池并联控制问题,满足大功率场合下系统对电压和功率的需求。建模与控制是改善其输出表现的重要王具,而考虑燃料电池系统复杂非线性、多约宋强精合的特点,非线性控制策略的应用有利于其在复杂工况下的快速跟踪和平滑控制。因此,本文引入非线性控制策略,旨在改善燃料电池输出表现,提升燃料电池系统效率,推进燃料电池系统的应用。

  燃料电池发展至今,根据其电解质和应用领域的不同,可分为质予交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池(AFC)、碱性燃料电池(AFC)、溶融碳酸盐燃料电池(MCFC)、蹲酸盐燃料电池(PAFC)五大类[6]。其中,质子交换膜燃料电池具有低王作温度、高功率密度的特性,使其在汽车行业具有广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池发电系统氯气回路设计:

非线性MIMO输出反馈控制算法框图
非线性MIMO输出反馈控制算法框图

燃料电池负载电流曲线
燃料电池负载电流曲线

控制器输出的燃料电化系统氯罐出气流量阀口开度
控制器输出的燃料电化系统氯罐出气流量阀口开度

控制器输出的燃料电池系统循环流量阀口开度
控制器输出的燃料电池系统循环流量阀口开度

供气管道气压跟接误差
供气管道气压跟接误差

阳极氨含量跟踪误差
阳极氨含量跟踪误差

阳极氨含量跟踪误差转换为阳极氮含量及其氮含量期望值后的对比图
阳极氨含量跟踪误差转换为阳极氮含量及其氮含量期望值后的对比图

阳极気含量及其氮含量期望值的对比细节图
阳极気含量及其氮含量期望值的对比细节图

供气管道氨气分压估计值
供气管道氨气分压估计值

目录

  摘要
  Abstract
  括图和附表清单
  图目录
  表目录
  第1章 绪论
    1.1 背景与意义
    1.2 燃料电池系统简介
      1.2.1 燃料电池简介
      1.2.2 燃料电池发电系统
      1.2.3 燃料电池发电系统氢气回路
    1.3 国内外现状
      1.3.1 燃料电池进气系统控制策略
      1.3.2 燃料电池阳极氮气积累和分压观测研究
      1.3.3 燃料电池阳极出口排气策略研究
    1.4 本文工作和章节安排
    1.5 小结
  第2章 燃料电池发电系统氮气回路建模
    2.1 流道气体模型
      2.1.1 阳极供气管道模型
      2.1.2 阳极流道模型
      2.1.3 阴极流道模型
    2.2 电化学反应模型
      2.2.1 电化学反应流量消耗
      2.2.2 电化学反应输出电压
    2.3 气体跨膜渗透模型
    2.4 氢气回路循环风机模型
    2.5 面向控制的燃料电池发电系统氢气回路模型
    2.6 小结
  第3章 墓于模型的流道氮含盈问题研究及控制算法设计
    3.1 基于模型的流道氮含量约束问题研究
    3.2 非线性MIMO状态反馈控制算法设计
      3.2.1 控制策略M:以供气管道气压和阳极流道氢含量为控制目标
      3.2.2 控制策略N:以阳极流道气压和供气管道氢含量为控制目标
    3.3 控制策略仿真结果与分析
      3.3.1 控制策略M仿真结果
      3.3.2 控制策略N仿真结果
      3.3.3 仿真效果小结
    3.4 小结
  第4章 非线性MIMO拾出反债控制算法设计与验证分析
    4.1 氢气分压观测器设计
    4.2 非线性输出反馈控制算法设计
    4.3 稳定性证明
    4.4 仿真结果与对比分析
      4.4.1 非线性MIMO输出反馈控制算法仿真分析
      4.4.2 氢气分压观测器仿真与分析
      4.4.3 对照组MIMO PI控制算法设计与结果对比
    4.5 小结
  第5章 总结与展望
    5.1 全文内容总结
    5.2 研究展望
  附录
  参考文献
  符号说明
  下标说明
  致谢
  个人筒历二
  攻读学术期间发表的学术论文与取得的其他研究成果83

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