一種固體氧化物燃料電池電堆溫度分布估計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，具體為：建立非線性電堆溫度模型，以該模型為參考對象，建立非線性滑模觀測器；對非線性電堆溫度模型在電堆運行穩(wěn)定工況下，進行線性化處理得到線性電堆溫度模型；使用線性電堆溫度模型作為參考對象，設計電堆溫度觀測器，并在極點配置保證觀測誤差收斂的情況下，求解出反饋增益系數(shù)，將其替代非線性溫度觀測器中的反饋增益系數(shù)；將固體氧化物燃料電池的實際輸入作為電堆溫度觀測器輸入，即可估計電堆內的溫度分布。本發(fā)明僅需獲知電堆入口及出口條件，即可準確估計出電堆內的溫度分布，進而為固體氧化物燃料電池電堆溫度控制提供依據(jù)，確保電堆能夠安全、穩(wěn)定地工作。
【專利說明】一種固體氧化物燃料電池電堆溫度分布估計方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領域，具體而言，它是一種固體氧化物燃料電池(SOFC)電堆內部溫度分布估計方法。
【背景技術】
[0002]固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種可將化學能直接轉化為電能的系統(tǒng)，因其高效率、零污染和零噪聲等顯著優(yōu)點，已經成為傳統(tǒng)不可再生能源最有可能的替代發(fā)電裝置之一。盡管SOFC相關技術在近年得到了長足的發(fā)展，但在其商品化的道路上仍有不少的障礙需要克服，而SOFC電堆內溫度和溫度梯度的監(jiān)測及控制即是其中最突出的障礙之一。
[0003]由于SOFC運行在600~900°C的高溫環(huán)境之下，考慮到電池材料的安全性，必須對電堆中的最大溫度進行控制。再者，SOFC電堆的核心部件PEN是由三層固體以類似三明治的方式疊加組合在一起構成的。而組成PEN的這三層固體又具有不同的熱膨脹特性，因此當電堆內的溫度分布不均勻，即當溫度梯度過大時，PEN可能會因熱應力過大而產生形變甚至是斷裂。因此，為了 SOFC能夠穩(wěn)定、長壽命的運行，必須把電堆的最大溫度及最大溫度梯度控制在材料能承受的范圍之內。
[0004]最大溫度及最大溫度梯度作為SOFC電堆內兩個最重要的溫度安全指標,要對其進行控制，只需掌握電堆內的溫度分布即可。然而，基于實際操作的難度和成本方面的考慮，SOFC電堆內的溫度分布難以直接測量得到。因為SOFC電堆運行在高溫環(huán)境之下，且對氣密性的要求很高，所以不可能在電堆上打太多的孔放入熱電偶，來直接測量溫度。除試驗臺上對SOFC單電池的溫度監(jiān)測可能會使一些熱電偶直接測量外，一般對SOFC系統(tǒng)而言，電堆溫度的指標只是考慮了電堆入口和出口的氣體溫度。經對現(xiàn)有的技術文獻進行檢索，尚未發(fā)現(xiàn)將溫度估計作為一種技術手段對SOFC電堆溫度進行監(jiān)測控制的技術方案。

【發(fā)明內容】

[0005]針對SOFC電堆內溫度分布因費用高、操作難度大而難以直接測量的問題，本發(fā)明提供了一種SOFC電堆溫度分布估計方法，該方法僅需要獲知電堆入口及出口條件，即可以準確估計出電堆內的溫度分布，進而為SOFC電堆溫度控制提供依據(jù)，確保電堆能夠安全、穩(wěn)定地工作。
[0006]一種固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一、以質量守恒和能量守恒為基礎的機理建模方式，對固體氧化物燃料電池建立非線性電堆溫度模型，并對電堆溫度模型進行有限元處理；
[0008]步驟二、以步驟一有限元處理后的電堆溫度模型為參考對象，以滑?？刂茷槔碚摶A，設計用于估計固體氧化物燃料電池電堆內部溫度分布的包含反饋增益系數(shù)的非線性電堆溫度觀測器，將觀測器的輸出與固體氧化物燃料電池電堆的實際輸出之差記為觀測誤差，將其作為反饋量作用于觀測器，以使觀測誤差收斂至零；
[0009]步驟三、對步驟一建立的非線性電堆溫度模型在電堆運行穩(wěn)定工況下，進行線性化處理得到線性電堆溫度模型；
[0010]步驟四、向線性電堆溫度模型和非線性電堆溫度模型的輸入分別施加擾動，比較兩模型在相同的輸入和擾動下的響應差異，若兩模型表現(xiàn)出的差異在可接受范圍之內，則進入步驟五；
[0011]步驟五、使用經步驟四檢驗過的線性電堆溫度模型代替步驟一建立的非線性電堆溫度模型作為參考對象，設計與步驟二相同結構的電堆溫度觀測器，并在極點配置保證觀測誤差收斂的情況下，求解出反饋增益系數(shù)，并將其替代步驟二建立的非線性溫度觀測器中的反饋增益系數(shù)，至此非線性電堆溫度觀測器構建完畢；
[0012]步驟六、將固體氧化物燃料電池的實際輸入作為電堆溫度觀測器輸入，將電堆溫度觀測器的輸出與固體氧化物燃料電池的實際輸出之間的差值作為觀測誤差反饋量作用于觀測器，直至觀測誤差收斂至零，此時即可估計固體氧化物燃料電池電堆內部溫度分布情況。
[0013]進一步，所述步驟一在建立非線性電堆溫度模型中，視電堆內的燃料與固體層溫度相同并記為TS()1，電堆內空氣的溫度記為T&，以Tstjl和T&作為非線性電堆溫度模型的溫
度變量。
[0014]進一步，所述步驟一的具體實現(xiàn)方式為:
[0015]所述固體氧化物燃料電池的電堆由若干片單電池并聯(lián)而成，視每片單電池具有完全相同的動態(tài)行為；對單電池進行建模，然后將若干片單電池模型組合即得非線性電堆溫度模型；所述單電池建模的具體實現(xiàn)方式為:
[0016]將單電池從氣體入口到出口依次等分為N個節(jié)點；
[0017]第k個節(jié)點內的燃料成分j的摩爾分數(shù)X]模型為:
【權利要求】
1.一種固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、以質量守恒和能量守恒為基礎的機理建模方式，對固體氧化物燃料電池建立非線性電堆溫度模型，并對電堆溫度模型進行有限元處理； 步驟二、以步驟一有限元處理后的電堆溫度模型為參考對象，以滑?？刂茷槔碚摶A，設計用于估計固體氧化物燃料電池電堆內部溫度分布的包含反饋增益系數(shù)的非線性電堆溫度觀測器，將觀測器的輸出與固體氧化物燃料電池電堆的實際輸出之差記為觀測誤差，將其作為反饋量作用于觀測器，以使觀測誤差收斂至零； 步驟三、對步驟一建立的非線性電堆溫度模型在電堆運行穩(wěn)定工況下，進行線性化處理得到線性電堆溫度模型； 步驟四、向線性電堆溫度模型和非線性電堆溫度模型的輸入分別施加擾動，比較兩模型在相同的輸入和擾動下的響應差異，若兩模型表現(xiàn)出的差異在可接受范圍之內，則進入步驟五； 步驟五、使用經步驟四檢驗過的線性電堆溫度模型代替步驟一建立的非線性電堆溫度模型作為參考對象，設計與步驟二相同結構的電堆溫度觀測器，并在極點配置保證觀測誤差收斂的情況下，求解出反饋增益系數(shù)，并將其替代步驟二建立的非線性溫度觀測器中的反饋增益系數(shù)，至此非線性電堆溫度觀測器構建完畢； 步驟六、將固體氧化物燃料電池的實際輸入作為電堆溫度觀測器輸入，將電堆溫度觀測器的輸出與固體氧化物燃料電池的實際輸出之間的差值作為觀測誤差反饋量作用于觀測器，直至觀測誤差收斂至零，此時即可估計固體氧化物燃料電池電堆內部溫度分布情況。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述步驟一在建立非線性電堆溫度模型中，視電堆內的燃料與固體層溫度相同并記為Tsol,電堆內空氣的溫度記為T&，以Tltjs和作為非線性電堆溫度模型的溫度變量。
3.根據(jù)權利要求2所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述步驟一的具體實現(xiàn)方式為: 所述固體氧化物燃料電池的電堆由若干片單電池并聯(lián)而成，視每片單電池具有完全相同的動態(tài)行為；對單電池進行建模，然后將若干片單電池模型組合即得非線性電堆溫度模型；所述單電池建模的具體實現(xiàn)方式為: 將單電池從氣體入口到出口依次等分為N個節(jié)點； 第k個節(jié)點內的燃料成分j的摩爾分數(shù)< 模型為:
4.根據(jù)權利要求3所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述非線性溫度觀測器的輸入量包括電堆入口處的燃料流速、燃料溫度、空氣流速和空氣溫度，非線性溫度觀測器的輸出量包括電堆出口處的燃料溫度和空氣溫度，以及電堆內部空氣溫度和固體層溫度。
5.根據(jù)權利要求4所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述步驟二的非線性溫度觀測器為:
6.根據(jù)權利要求1或2或3或4或5所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述步驟三的具體實現(xiàn)方式為:在非線性電堆模型運行穩(wěn)定時記錄各變量的穩(wěn)態(tài)值，將模型中的微分方程在其穩(wěn)態(tài)值處進行泰勒級數(shù)展開，舍棄高階項，只取其中的線性部分，即完成非線性模型的線性近似。
7.根據(jù)權利要求1或2或3或4或5所述的固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計方法，其特征在于，所述步驟五的具體實現(xiàn)方式為:在進行極點配置的時候，先對解耦了的電系統(tǒng)和熱系統(tǒng)分別進行極點配置，然后再將其耦合到一起，計算出反饋增益系數(shù)?，用?代替步驟二建立的非線性溫度觀測器中的反饋增益系數(shù)，至此非線性電堆溫度觀測器構建完畢。
【文檔編號】H01M8/04GK104009247SQ201410184688
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權日:2014年5月4日
【發(fā)明者】李曦, 程歡, 劉亞麗, 李雙宏, 張琳, 唐亮, 周春來 申請人:華中科技大學