一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法
【专利摘要】本发明提供一种固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，具体为：建立非线性电堆温度模型，以该模型为参考对象，建立非线性滑模观测器；对非线性电堆温度模型在电堆运行稳定工况下，进行线性化处理得到线性电堆温度模型；使用线性电堆温度模型作为参考对象，设计电堆温度观测器，并在极点配置保证观测误差收敛的情况下，求解出反馈增益系数，将其替代非线性温度观测器中的反馈增益系数；将固体氧化物燃料电池的实际输入作为电堆温度观测器输入，即可估计电堆内的温度分布。本发明仅需获知电堆入口及出口条件，即可准确估计出电堆内的温度分布，进而为固体氧化物燃料电池电堆温度控制提供依据，确保电堆能够安全、稳定地工作。
【专利说明】一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池领域，具体而言，它是一种固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆内部温度分布估计方法。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种可将化学能直接转化为电能的系统，因其高效率、零污染和零噪声等显著优点，已经成为传统不可再生能源最有可能的替代发电装置之一。尽管SOFC相关技术在近年得到了长足的发展，但在其商品化的道路上仍有不少的障碍需要克服，而SOFC电堆内温度和温度梯度的监测及控制即是其中最突出的障碍之一。
[0003]由于SOFC运行在600~900°C的高温环境之下，考虑到电池材料的安全性，必须对电堆中的最大温度进行控制。再者，SOFC电堆的核心部件PEN是由三层固体以类似三明治的方式叠加组合在一起构成的。而组成PEN的这三层固体又具有不同的热膨胀特性，因此当电堆内的温度分布不均匀，即当温度梯度过大时，PEN可能会因热应力过大而产生形变甚至是断裂。因此，为了 SOFC能够稳定、长寿命的运行，必须把电堆的最大温度及最大温度梯度控制在材料能承受的范围之内。
[0004]最大温度及最大温度梯度作为SOFC电堆内两个最重要的温度安全指标,要对其进行控制，只需掌握电堆内的温度分布即可。然而，基于实际操作的难度和成本方面的考虑，SOFC电堆内的温度分布难以直接测量得到。因为SOFC电堆运行在高温环境之下，且对气密性的要求很高，所以不可能在电堆上打太多的孔放入热电偶，来直接测量温度。除试验台上对SOFC单电池的温度监测可能会使一些热电偶直接测量外，一般对SOFC系统而言，电堆温度的指标只是考虑了电堆入口和出口的气体温度。经对现有的技术文献进行检索，尚未发现将温度估计作为一种技术手段对SOFC电堆温度进行监测控制的技术方案。
【发明内容】
[0005]针对SOFC电堆内温度分布因费用高、操作难度大而难以直接测量的问题，本发明提供了一种SOFC电堆温度分布估计方法，该方法仅需要获知电堆入口及出口条件，即可以准确估计出电堆内的温度分布，进而为SOFC电堆温度控制提供依据，确保电堆能够安全、稳定地工作。
[0006]一种固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一、以质量守恒和能量守恒为基础的机理建模方式，对固体氧化物燃料电池建立非线性电堆温度模型，并对电堆温度模型进行有限元处理；
[0008]步骤二、以步骤一有限元处理后的电堆温度模型为参考对象，以滑模控制为理论基础，设计用于估计固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布的包含反馈增益系数的非线性电堆温度观测器，将观测器的输出与固体氧化物燃料电池电堆的实际输出之差记为观测误差，将其作为反馈量作用于观测器，以使观测误差收敛至零；
[0009]步骤三、对步骤一建立的非线性电堆温度模型在电堆运行稳定工况下，进行线性化处理得到线性电堆温度模型；
[0010]步骤四、向线性电堆温度模型和非线性电堆温度模型的输入分别施加扰动，比较两模型在相同的输入和扰动下的响应差异，若两模型表现出的差异在可接受范围之内，则进入步骤五；
[0011]步骤五、使用经步骤四检验过的线性电堆温度模型代替步骤一建立的非线性电堆温度模型作为参考对象，设计与步骤二相同结构的电堆温度观测器，并在极点配置保证观测误差收敛的情况下，求解出反馈增益系数，并将其替代步骤二建立的非线性温度观测器中的反馈增益系数，至此非线性电堆温度观测器构建完毕；
[0012]步骤六、将固体氧化物燃料电池的实际输入作为电堆温度观测器输入，将电堆温度观测器的输出与固体氧化物燃料电池的实际输出之间的差值作为观测误差反馈量作用于观测器，直至观测误差收敛至零，此时即可估计固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布情况。
[0013]进一步，所述步骤一在建立非线性电堆温度模型中，视电堆内的燃料与固体层温度相同并记为TS()1，电堆内空气的温度记为T&，以Tstjl和T&作为非线性电堆温度模型的温
度变量。
[0014]进一步，所述步骤一的具体实现方式为:
[0015]所述固体氧化物燃料电池的电堆由若干片单电池并联而成，视每片单电池具有完全相同的动态行为；对单电池进行建模，然后将若干片单电池模型组合即得非线性电堆温度模型；所述单电池建模的具体实现方式为:
[0016]将单电池从气体入口到出口依次等分为N个节点；
[0017]第k个节点内的燃料成分j的摩尔分数X]模型为:
【权利要求】
1.一种固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、以质量守恒和能量守恒为基础的机理建模方式，对固体氧化物燃料电池建立非线性电堆温度模型，并对电堆温度模型进行有限元处理； 步骤二、以步骤一有限元处理后的电堆温度模型为参考对象，以滑模控制为理论基础，设计用于估计固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布的包含反馈增益系数的非线性电堆温度观测器，将观测器的输出与固体氧化物燃料电池电堆的实际输出之差记为观测误差，将其作为反馈量作用于观测器，以使观测误差收敛至零； 步骤三、对步骤一建立的非线性电堆温度模型在电堆运行稳定工况下，进行线性化处理得到线性电堆温度模型； 步骤四、向线性电堆温度模型和非线性电堆温度模型的输入分别施加扰动，比较两模型在相同的输入和扰动下的响应差异，若两模型表现出的差异在可接受范围之内，则进入步骤五； 步骤五、使用经步骤四检验过的线性电堆温度模型代替步骤一建立的非线性电堆温度模型作为参考对象，设计与步骤二相同结构的电堆温度观测器，并在极点配置保证观测误差收敛的情况下，求解出反馈增益系数，并将其替代步骤二建立的非线性温度观测器中的反馈增益系数，至此非线性电堆温度观测器构建完毕； 步骤六、将固体氧化物燃料电池的实际输入作为电堆温度观测器输入，将电堆温度观测器的输出与固体氧化物燃料电池的实际输出之间的差值作为观测误差反馈量作用于观测器，直至观测误差收敛至零，此时即可估计固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布情况。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤一在建立非线性电堆温度模型中，视电堆内的燃料与固体层温度相同并记为Tsol,电堆内空气的温度记为T&，以Tltjs和作为非线性电堆温度模型的温度变量。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤一的具体实现方式为: 所述固体氧化物燃料电池的电堆由若干片单电池并联而成，视每片单电池具有完全相同的动态行为；对单电池进行建模，然后将若干片单电池模型组合即得非线性电堆温度模型；所述单电池建模的具体实现方式为: 将单电池从气体入口到出口依次等分为N个节点； 第k个节点内的燃料成分j的摩尔分数< 模型为:
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述非线性温度观测器的输入量包括电堆入口处的燃料流速、燃料温度、空气流速和空气温度，非线性温度观测器的输出量包括电堆出口处的燃料温度和空气温度，以及电堆内部空气温度和固体层温度。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤二的非线性温度观测器为:
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤三的具体实现方式为:在非线性电堆模型运行稳定时记录各变量的稳态值，将模型中的微分方程在其稳态值处进行泰勒级数展开，舍弃高阶项，只取其中的线性部分，即完成非线性模型的线性近似。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤五的具体实现方式为:在进行极点配置的时候，先对解耦了的电系统和热系统分别进行极点配置，然后再将其耦合到一起，计算出反馈增益系数?，用?代替步骤二建立的非线性温度观测器中的反馈增益系数，至此非线性电堆温度观测器构建完毕。
【文档编号】H01M8/04GK104009247SQ201410184688
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】李曦, 程欢, 刘亚丽, 李双宏, 张琳, 唐亮, 周春来 申请人:华中科技大学