Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/45868
Title: PERFORMANCE ANALYSIS AND CONTROL OF SOLID OXIDE FUEL CELLS WITH DIRECT INTERNAL REFORMING
Other Titles: การวิเคราะห์เชิงสมรรถนะและการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่มีการรีฟอร์มมิงภายใน
Authors: Narissara Chatrattanawet
Advisors: Amornchai Arpornwichanop
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: Amornchai.A@Chula.ac.th
Subjects: Predictive control
Algorithms
Solid oxide fuel cells
การควบคุมทำนายแบบจำลอง
อัลกอริทึม
เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง
Issue Date: 2014
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: This research focuses on the performance analysis and control of a solid oxide fuel cell (SOFC) with direct internal reforming using methane as fuel. Firstly, the steady state analysis is performed to design the optimal operational condition for this system. The direct internal reforming of methane in SOFC can utilize the heat from the exothermic electrochemical reaction to produce hydrogen-rich gas, leading to an increasing system efficiency. However, the coupling of the endothermic reforming and electrochemical reactions results in a complicated dynamic response. Therefore, the effect of input variables on the cell temperature and cell voltage is analyzed to investigate the dynamic behavior that is important for design a controller. It is found that the cell operating temperature and cell voltage are dependent on the fuel and air inlet temperature as well as the current density. Next, to achieve the efficient control system, the control structure design of the SOFC is considered to identify good controlled variables and manipulated variables. The concept of a controllability analysis is applied to the control system design of the SOFC for the selection of input-output pairings by considering the relative gain array (RGA). The result shows that the inlet molar flow rates of air and fuel are manipulated variables to control the cell temperature and the content of fuel, respectively. Finally, the conventional and advanced control techniques are designed and implemented to control the cell temperature, the content of methane and the cell voltage. In this research, the model predictive control (MPC) that is a model-based control strategy is proposed for SOFC control. In general, MPC requires the accurate and reliable model of the process to be controlled. However, the SOFC model is complicated and involves uncertain parameters. Therefore, an off-line robust MPC algorithm is developed and employed for controlling the SOFC. The robust MPC algorithm based on linear time-varying (LTV) and linear parameter varying (LPV) systems is also studied. The simulation results show that under the model uncertainty, the proposed robust MPC can control the SOFC and guarantee the stability of the SOFC. The robust MPC algorithm using the LPV model of the SOFC can achieve a better control performance because the model parameters are on-line updated and used in the control calculation.
Other Abstract: งานวิจัยนี้นำเสนอการวิเคราะห์เชิงสมรรถนะและการควบคุมของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่มีการรีฟอร์มมิงของเชื้อเพลิงภายใน ในส่วนแรกของงานได้ศึกษาหาสภาวะการดำเนินงานที่เหมาะสมที่สภาวะคงตัว โดยการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ร่วมกับการเกิดกระบวนการรีฟอร์มมิงของก๊าซมีเทนภายใน ซึ่งจะทำให้สามารถประหยัดพลังงานที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าและทำให้ประสิทธิภาพของระบบสูงขึ้น เนื่องจากสามารถนำความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีภายในเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้ในกระบวนการรีฟอร์มมิงเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้ อย่างไรก็ตามการผลิตไฟฟ้าดังกล่าวเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อน ดังนั้นการศึกษาผลของตัวแปรดำเนินงานที่มีต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่เกิดการรีฟอร์มมิงภายในจึงมีความสำคัญต่อการออกแบบระบบการควบคุมที่เหมาะสมของเซลล์เชื้อเพลิง จากการศึกษาตัวแปรต่างๆ ที่สภาวะพลวัต พบว่าการเปลี่ยนแปลงของค่าความหนาแน่นของกระแส อัตราการไหลของเชื้อเพลิงและอากาศขาเข้า และอุณหภูมิของเชื้อเพลิงและอากาศขาเข้า ส่งผลต่ออุณหภูมิและค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง ในส่วนที่สองของงานวิจัยนั้นได้ทำการออกแบบโครงสร้างการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อหาตัวแปรที่จะถูกควบคุมและตัวแปรปรับที่เหมาะสม ซึ่งจะทำให้ระบบควบคุมมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยที่การวิเคราะห์ความสามารถในการควบคุมเพื่อกำหนดคู่ตัวแปรปรับและตัวแปรควบคุมถูกวิเคราะห์ด้วยอัตราการขยายสัมพัทธ์ จากการศึกษาพบว่าอัตราการไหลเชิงโมลของอากาศและเชื้อเพลิงขาเข้าเป็นตัวแปรปรับเพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์เชื้อเพลิงและสัดส่วนโมลของก๊าซมีเทนตามลำดับ ส่วนสุดท้ายของงานวิจัยจะมุ่งเน้นในด้านการออกแบบตัวควบคุมเพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์เชื้อเพลิง สัดส่วนเชิงโมลของก๊าซมีเทน และค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า โดยใช้ตัวควบคุมทั่วใช้และเทคนิคการควบคุมขั้นสูงอย่างตัวควบคุมแบบโมเดลพรีดิกทีฟ ซึ่งตัวควบคุมแบบโมเดลพรีดิกทีฟนั้นต้องการแบบจำลองที่มีความแม่นยำและน่าเชื่อถือ อย่างไรก็ตามแบบจำลองที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิงที่เกิดกระบวนการรีฟอร์มมิงภายในมีความซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ที่มีความไม่แน่นอน ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงได้นำเสนอการควบคุมแบบโมเดลพรีดิกทีฟที่มีเงื่อนไขบังคับคงทนเชิงออฟไลน์ มาประยุกต์ใช้เพื่อควบคุมเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำการศึกษา โดยแบบจำลองที่ทำการศึกษา จะถูกจัดให้อยู่ในรูปแบบจำลองเชิงเส้นที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา และแบบจำลองเชิงเส้นที่เปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์ จากการศึกษาภายใต้แบบจำลองที่มีความไม่แน่นอนพบว่าตัวควบคุมที่นำเสนอมีสมรรถนะการควบคุมที่ดี สามารถควบคุมตัวแปรควบคุมต่างๆ ได้ นอกจากนี้ตัวควบคุมซึ่งใช้แบบจำลองเชิงเส้นที่เปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์มีสมรรถนะการควบคุมที่ดีกว่าตัวควบคุมที่ใช้แบบจำลองเชิงเส้นที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา เนื่องจากระบบที่เปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์นั้นจะคำนวณพารามิเตอร์ที่ใช้ในแบบจำลองใหม่
Description: Thesis (D.Eng.)--Chulalongkorn University, 2014
Degree Name: Doctor of Engineering
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/45868
URI: http://doi.org/10.14457/CU.the.2014.270
metadata.dc.identifier.DOI: 10.14457/CU.the.2014.270
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5171846821.pdf5.41 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.