[发明专利]一种平板式固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种平板式固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布估计方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC，SolidOxideFuelCell)作为一种可将化学能直接转化为电能的系统，因其具有高能量转化率、低排放和灵活的燃料注入方法等显著优点，被誉为21世纪最具前景的绿色能源发电系统，在近年来越来越受到人们的关注。在不同类型的固体氧化物燃料电池中，平板式固体氧化物燃料电池是最有吸引力的。平板式固体氧化物燃料电池容易制造、组装并且可以提供更高的功率效率。虽然平板式固体氧化物燃料电池在技术上取得了很大的进展，但是仍然还有许多难点需要克服以使之广泛应用和商业化。其中最关键的难点是检测和控制燃料电池电堆内的温度和温度梯度。

由于固体氧化物燃料电池的运行温度为600～1000℃之间，是一种中高温燃料电池，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，固体氧化物燃料电池电堆的核心部件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，为了固体氧化物燃料电池能够稳定、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。

最大温度及最大温度梯度作为固体氧化物燃料电池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，固体氧化物燃料电池电堆内的温度分布难以直接测量得到。因为固体氧化物燃料电池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。除试验台上对固体氧化物燃料电池单电池的温度监测可能会使一些热电偶直接测量外，一般对固体氧化物燃料电池系统而言，电堆温度的指标只是考虑了电堆入口和出口的气体温度。

中国专利(CN201410184688)提供了一种固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，该方法的贡献主要在于提供了一种性能良好的滑膜观测器。但是，滑模观测器虽然具有快速响应输入和良好鲁棒性的特点，但是其会来带一个严重的问题，即系统控制器的输出具有抖动。这是由于滑模观测器根据系统当时状态,以跃变方式有目的地在滑模超平面附近不断变换,迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动，以跃变方式有目的地在滑模超平面附近不断变换，导致了抖动的产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗电负载扰动和抗入口空气流速扰的平板式固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种平板式固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法，包括以下步骤：

S1、根据质量守恒定律和能量守恒定律建立非线性电堆温度模型，并对所述电堆温度模型进行有限元处理；

S2、在稳定工作点附近，对步骤S1中所述电堆温度模型进行线性化处理得到线性电堆温度模型；

S3、基于上述线性电堆温度模型，设计用于观测电堆温度的龙伯格观测器；

S4、将固体氧化物燃料电池的实际输出作为电堆温度观测器的输入，将所述龙伯格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。

进一步，步骤S1中所述根据质量守恒定律和能量守恒定律建立非线性电堆温度模型，具体是指：

根据质量守恒计算空气和燃料通道的摩尔分数，

其中，和分别为第k个节点中氧气、氮气、氢气和水蒸气的摩尔分数，和分别为第k个节点出口处的空气摩尔流速和燃料摩尔流速，和分别为阴极和阳极中第k个节点的气体摩尔数，i^k为第k个节点的电流；

每个节点的热量守恒可用下式描述：