[發(fā)明專利]一種固體氧化物燃料電池電堆溫度分布估計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410184688.3
• 申請日: 2014-05-04
• 公開（公告）號: CN104009247A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曦;程歡;劉亞麗;李雙宏;張琳;唐亮;周春來
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智

1.一種固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：?

步驟一、以質(zhì)量守恒和能量守恒為基礎(chǔ)的機(jī)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(jìn)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，以滑模控制為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)用于估計(jì)固體氧化物燃料電池電堆內(nèi)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(shí)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(yùn)行穩(wěn)定工況下，進(jìn)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(yīng)差異，若兩模型表現(xiàn)出的差異在可接受范圍之內(nèi)，則進(jìn)入步驟五；?

步驟五、使用經(jīng)步驟四檢驗(yàn)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(shè)計(jì)與步驟二相同結(jié)構(gòu)的電堆溫度觀測器，并在極點(diǎn)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(gòu)建完畢；?

步驟六、將固體氧化物燃料電池的實(shí)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(shí)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(shí)即可估計(jì)固體氧化物燃料電池電堆內(nèi)部溫度分布情況。?

2.根據(jù)權(quán)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(jì)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(nèi)的燃料與固體層溫度相同并記為T_sol，電堆內(nèi)空氣的溫度記為T_air，以T_los和^T_air作為非線性電堆溫度模型的溫度變量。?

3.根據(jù)權(quán)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(jì)方法，其特征在于，所述步驟一的具體實(shí)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(jìn)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(shí)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(diǎn)；?

第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的燃料成分j的摩爾分?jǐn)?shù)模型為：?

第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的空氣成分i的摩爾分?jǐn)?shù)模型為：?

第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的空氣溫度模型為：?

第k個節(jié)點(diǎn)的固體層溫度模型為：?

第k個節(jié)點(diǎn)的能斯特電壓模型為：?

其中，和分別為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的燃料和空氣的摩爾量，和分別為流出第k個節(jié)點(diǎn)的燃料和空氣摩爾流速，和分別為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的?燃料成分j和空氣成分i的摩爾反應(yīng)速率，為空氣的恒容比熱容，為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)的空氣溫度，為空氣流經(jīng)第k個節(jié)點(diǎn)帶入和帶出的能量之差的變化率，為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)固體層的溫度，分別為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)固體層的密度、體積和比熱容，為燃料流經(jīng)第k個節(jié)點(diǎn)帶入和帶出的能量之差的變化率；為第k個節(jié)點(diǎn)的固體層傳遞給空氣的熱量的變化率；為第k個節(jié)點(diǎn)的空氣傳遞給固體層的熱量的變化率；為相鄰節(jié)點(diǎn)的固體層傳遞給第k個節(jié)點(diǎn)的固體層間的熱量的變化率；為第k個節(jié)點(diǎn)內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量變化率；為第k個節(jié)點(diǎn)的輸出功率，是第k個節(jié)點(diǎn)的能斯特電壓，R為理想氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，分別為第k個節(jié)點(diǎn)的氫氣、氧氣和水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)；?

將上述模型抽象為以下形式：?

其中：?

為電堆入口燃料流速，為電堆入口空氣流速，?

w＝I_tot，?

y是待定輸出，f₁和f₂是對非線性模型方程中相關(guān)變量關(guān)系的函數(shù)抽象。?

4.根據(jù)權(quán)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(jì)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(nèi)部空氣溫度和固體層溫度。?