面向应用的平板式交叉流SOFC电堆的二维温度分布估计研究

发布时间：2020-06-26 00:39

【摘要】：固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)发电系统是一种清洁、高效的能源转换装置,因具有高效率、无污染、全固态、燃料广等优点,在军事、交通、电站等领域有广阔的应用前景。SOFC电堆作为发电系统的核心部件,其安全、稳定、高效的运行是SOFC发电系统面向实际应用的关键。然而,SOFC电堆600~900℃的工作温度给系统的高效率、长寿命运行带来了诸多挑战。电堆温度过低时无法达到正常的热激活状态,影响其电性能输出;电堆温度过高时材料的耐久性不足,运行寿命受到影响;由于局部温度不尽相同,电堆内部会产生一定的温度梯度,温度梯度过大使得电堆内部固体材料的热应力不均,导致电池变形甚至破裂。因此将电堆内部温度与温度梯度控制在合适的范围内,对其高性能和长寿命运行至关重要。进行电堆温度及梯度管控,首先必须获取电堆内部温度,但电堆对气密性要求严苛,无法通过安装热电偶直接测量其内部温度。并且,针对平板式交叉流SOFC电堆,其内部温度更加复杂地分布在二维平面上,难以直接测量获取。因此,根据电堆外部有限、易测量的输入输出参数,设计出电堆温度分布观测器,快速准确地估计出电堆内部温度分布,对电堆温度及梯度管控具有重要意义。本文将搭建电堆机理模型并对其进行验证,通过电堆模型输入输出参数和动态特性分析,分别为观测器的输入参数选取及模型离散化步长提供设计基础,并结合无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)的非线性估计方法,搭建电堆温度分布观测器,实现输入扰动及功率切换下的交叉流电堆内部二维温度分布的快速准确估计。首先,本文针对平板式交叉流SOFC电堆,采用机理建模方法在Matlab/Simulink平台上建立二维机理模型,利用SOFC发电系统样机长期测试获得的实验数据对电堆模型进行参数校正和热电特性的充分验证,保证模型的准确性。然后,基于电堆模型的输入输出参数,分析并确定了后续观测器的输入变量选取,并基于电堆功率切换下的动态响应特性,由此确定观测器设计时的电堆模型离散化步长选取,为功率波动下的电堆内部温度的高精度观测提供设计基础。最后,在对电堆模型进行离散化扩展之后,确定离散时域的电堆系统状态与测量方程描述,结合UKF非线性估计算法,设计出全工作区间抗扰动的交叉流二维电堆温度分布观测器。在较大初始误差、输入阶跃扰动和不同功率切换的过程中,所设计观测器均能够快速准确地估计出电堆内部温度及其分布,观测器的初始收敛性能和动态响应的温度估计效果均表现良好。本文的研究工作解决了交叉流SOFC电堆内部温度分布难以直接测量的问题,实现了快速准确的电堆内部温度分布估计,为面向应用的电堆的温度管控过程奠定基础,确保在实际应用场景中电堆及发电系统能够安全、稳定、高效地运行。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4
【图文】：

电堆,动态温度,对比曲线,模型

图 2.15 电堆模型和实验电堆之间的动态温度响应对比曲线如图 2.14 所示的 450000s 以后，当电流为 53A、57A、62A 时，电堆功率分别为800W、850W、900W 的稳态情况下，电堆温度对比图(如图 2.15 中放大部分)中，稳态温度在电堆模型和实际测试的情况下几乎相同，误差在可接受的范围。当堆电流从53A 变化至 57A 最后至 62A 时，电流呈两个近似阶跃的变化后，电堆温度升高的过程中，可以看出温度动态响应曲线在电堆模型和实际测温点的变化趋势也能够保持一致，表明了电堆模型在温度动态响应上的准确性。交叉流电堆的内部温度分布特性也是模型验证必不可少的一个环节。在 Matlab平台中，可使用 griddata 函数将变量分布点进行立方插值，形成更加均匀细致的电堆变量分布图谱，由此直观地观察变量的分布趋势[9]，因此本文中的实验测量数据以及25 节点电堆模型的节点温度组合也参考此方法，采用立方插值之后，使其可描述出实际边长为 15*15cm 电堆在气体流向二维平面上地的温度分布图，以此可直观地观

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