[發(fā)明專(zhuān)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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410184688.3
• 申請(qǐng)日: 2014-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104009247A
• 公開(kāi)（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(lái)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/04
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 李智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體而言，它是一種固體氧化物燃料電池(SOFC)電堆內(nèi)部溫度分布估計(jì)方法。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)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(diǎn)，已經(jīng)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(guān)技術(shù)在近年得到了長(zhǎng)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(nèi)溫度和溫度梯度的監(jiān)測(cè)及控制即是其中最突出的障礙之一。

由于SOFC運(yùn)行在600～900℃的高溫環(huán)境之下，考慮到電池材料的安全性，必須對(duì)電堆中的最大溫度進(jìn)行控制。再者，SOFC電堆的核心部件PEN是由三層固體以類(lèi)似三明治的方式疊加組合在一起構(gòu)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(dāng)電堆內(nèi)的溫度分布不均勻，即當(dāng)溫度梯度過(guò)大時(shí)，PEN可能會(huì)因熱應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生形變甚至是斷裂。因此，為了SOFC能夠穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的運(yùn)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(nèi)。

最大溫度及最大溫度梯度作為SOFC電堆內(nèi)兩個(gè)最重要的溫度安全指標(biāo)，要對(duì)其進(jìn)行控制，只需掌握電堆內(nèi)的溫度分布即可。然而，基于實(shí)際操作的難度和成本方面的考慮，SOFC電堆內(nèi)的溫度分布難以直接測(cè)量得到。因?yàn)镾OFC電堆運(yùn)行在高溫環(huán)境之下，且對(duì)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(lái)直接測(cè)量溫度。除試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)SOFC單電池的溫度監(jiān)測(cè)可能會(huì)使一些熱電偶直接測(cè)量外，一般對(duì)SOFC系統(tǒng)而言，電堆溫度的指標(biāo)只是考慮了電堆入口和出口的氣體溫度。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，尚未發(fā)現(xiàn)將溫度估計(jì)作為一種技術(shù)手段對(duì)SOFC電堆溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)SOFC電堆內(nèi)溫度分布因費(fèi)用高、操作難度大而難以直接測(cè)量的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種SOFC電堆溫度分布估計(jì)方法，該方法僅需要獲知電堆入口及出口條件，即可以準(zhǔn)確估計(jì)出電堆內(nèi)的溫度分布，進(jìn)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。

一種固體氧化物燃料電池的電堆溫度分布估計(jì)方法，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(duì)固體氧化物燃料電池建立非線性電堆溫度模型，并對(duì)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(duì)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(cè)器,將觀測(cè)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(cè)誤差，將其作為反饋量作用于觀測(cè)器，以使觀測(cè)誤差收斂至零；

步驟三、對(duì)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(dòng)，比較兩模型在相同的輸入和擾動(dòng)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(guò)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(duì)象，設(shè)計(jì)與步驟二相同結(jié)構(gòu)的電堆溫度觀測(cè)器，并在極點(diǎn)配置保證觀測(cè)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(cè)器中的反饋增益系數(shù)，至此非線性電堆溫度觀測(cè)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(cè)器輸入，將電堆溫度觀測(cè)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(cè)誤差反饋量作用于觀測(cè)器，直至觀測(cè)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。

進(jìn)一步，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(mén)_sol，電堆內(nèi)空氣的溫度記為T(mén)_air，以T_sol和T_air作為非線性電堆溫度模型的溫度變量。

進(jìn)一步，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(dòng)態(tài)行為；對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)；

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