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研究生:陳力之
研究生(外文):Lih-Jy Chen
論文名稱:天然氣重組器產氫之控制於燃料電池之應用
論文名稱(外文):Hydrogen Generation Control of Natural-Gas Reformer for Applications of Fuel Cells
指導教授:陳金聖陳金聖引用關係
口試委員:蔡明忠蘇春火喜
口試日期:2012-06-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:自動化科技研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:58
中文關鍵詞:重組器PLC控制人機介面模糊控制
外文關鍵詞:ReformerProgrammable logic controllerHuman Machine interfaceFuzzy control
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本論文以燃料電池之天然氣重組器作為研究對象,以人機介面 (Human Machine Interface, HMI)、可程式邏輯控制器 (Programmable Logic Controller, PLC)及有焰無焰燃燒控制卡 (Control Card Flame Flox, CCFF)建構出一具有高可靠性的燃料電池及重組器控制系統。此外,本論文另一重點在於先將重組器與溫度需求建立起一套數學模式,並利用模糊PD控制做為空氣流量的控制設計,將此數學模式進行重組器系統溫度控制效果的模擬分析,透過實際天然氣重組器實驗比對模擬分析的結果,驗證所計算的空氣流量及其反應產生的氫氣可達到快速穩定的結果,並連接上質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)與負載進行電力輸出測試,以驗證本研究發展出之控制系統的可靠度。
本論文研究發現,當天然氣壓力為50 mbar、流量為3.5 L/min時,配合流量80 L/min的空氣時,可讓重組器在最短時間內進行燃燒反應。此外,由本研究實驗亦可得知,在提供每分鐘0.02 L的去離子水的狀態下可獲得最大產氫壓力,且在此條件下產出之氫氣,其中CO濃度可在最短時間內降至10 ppm以下。在燃料電池方面,當46個單電池所組成之燃料電池堆在900 W的負載下所產生之電壓為33 V,推算出每個單電池所提供之電壓為0.7 V,為燃料電池所能提供之最佳效率。


This thesis constructs a highly feasible control system, which is applied in a natural-gas type reformer of fuel cells, by the cooperation of human machine interaction, programmable logic controller, control card flame flox, etc. The target temperature is achieved by adjusting the flow of air. Firstly, the mathematical model of temperature dynamic behavior of reformer is built up and the fuzzy PD control scheme is proposed. The simulation results verify the proposed fuzzy PD controller can rapidly get good controlled temperature of reformer. Then, the produced hydrogen will be guaranteed after the stable temperature and flow rate of reformer are well controlled.
In the implementation, the reformer is connected to proton exchange membrane fuel cell and external load to test the performance of electrical power generation. When the pressure and flow rate of natural gas are fixed at 50 mbar and 3.5 L/min respectively, and flow rate of air is 80 L/min, the transient time of combustion reaction is shortest in the reformer. Furthermore, the maximum pressure of produced hydrogen is attained by feeding through 0.02 L/min de-ionized water into reformer, and the CO concentration in hydrogen is decreased to less than 10 ppm. The fuel cells, composed of 46 cells, can generate 33 V and 900 W based on the abovementioned hydrogen producing capacity. That implies each cell’s voltage is derived as 0.7 V.


摘 要 I
ABSTRACT II
誌 謝 III
目 錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 燃料電池簡介 2
1.2.1 發電原理 2
1.2.2 燃料電池種類 3
1.3 重組器簡介 4
1.4 文獻回顧 6
1.5 研究動機與目的 8
1.6 內容大綱 9
第二章 甲烷重組器數學模式建立 11
2.1 甲烷重組器之結構分析 11
2.2 能量平衡方程式 13
第三章 甲烷重組器之模糊PD控制器設計 16
3.1 模糊控制理論 16
3.2 模糊PD控制器設計 18
3.3 模擬結果 20
3.3.1 應用模糊PD控制器之模擬結果 20
3.3.2 模糊法則結合P、PD、PI控制各別之比較 24
3.3.3 傳統PD控制與結合模糊法則之PD控制比較 27
第四章 甲烷重組器之模糊PD控制器實現 29
4.1 甲烷重組器實驗系統介紹 29
4.1.1 甲烷重組器系統 29
4.1.2 燃料電池系統 31
4.1.3 可程式邏輯控制器 34
4.1.4 人機介面 35
4.2 甲烷重組器與燃料電池作業程序 38
4.2.1 甲烷重組器作業程序 38
4.2.2 燃料電池作業程序 40
4.3 重組器實驗條件與控制器參數設定 44
4.4 實驗結果 45
4.4.1 甲烷重組器燃燒分析 45
4.4.2 重組器產氫反應分析 46
4.4.3 重組器產生氣體成分分析 48
4.4.4 燃料電池負載分析 51
4.4.5 燃料電池功率與電壓分析 54
第五章 結論與建議 55
5.1 結論 55
5.2 未來展望 56
參考文獻 57


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