CN111029625B - 一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法。本发明使系统能兼顾输出的功率和温度的耦合性情况下，能更快速的跟踪外部负载，并且在整个过程中燃料利用率都小于1。提出了以电流变化率和空气流率为操作变量的新型非线性控制策略，此方法是能够满足固体氧化物燃料电池的实际运行工况、且控制方法相对来说较为简单，且易实现。

Description

一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法

技术领域

本发明涉及固体氧化物控制领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的能量转换装置，因为其不用经过从化学能到机械能的转化，其相比其他能量转换装置具有功率高的特点。其的发电原理是，在阳极通入燃料气体(如甲烷、氢气等)，在阴极通入含有氧气的气体(如纯氧、空气等)，氧气在阴极发生电离反应，氧气被电离成氧离子，由于电池中的特殊电解质的存在，只允许氧离子穿过电解质，氧离子在穿过电解质后，与阳极通道中的氢气发生反应生成水，在这个过程中阴极和阳极产生了电势差。又电池的发电原理可以看到，固体氧化物燃料电池排放物是对大气没有污染的水，其被认为是继火电、水电和核电之后的第四代发电方式。

固体氧化物燃料电池运行过程中，有一定的温度限制，其工作温度必须限制在600-1000℃。若温度过低，则不能激活电解质，若温度过高，则会导致电解质的完全失活。在温度允许的范围内，温度越高效率越高。

固体氧化物燃料电池运行过程中，阳极通道中一定要保证燃料气体的存在，若在某个瞬间燃料气体耗尽，则会导致电解质的永久失活。所以在整个反应过程中需要保证燃料利用率＜1。

固体氧化物燃料电池在工作的过程中，除了要满足自己的安全条件外，还需要满足外部的负载，并且要以较快的时间满足外部负载。

在同时控制固体氧化物燃料电池的输出功率和温度的过程中，功率的增大会导致电池中温度的产生也增大。而温度的增大会导致电池的效率增大。这两个量是相互耦合的关系，并且在整个过程中，固体氧化物系统是一个非线性十分强的系统。在整个系统中，固体氧化物燃料电池的电压变化呈现的是毫秒级的变化，而温度变化是百秒级的变化。温度和功率的耦合控制一直是控制领域的难点，同时控制固体氧化物燃料电池的功率输出和温度输出也一直是控制领域的热点。在针对固体氧化物燃料电池的功率和温度控制所采用的控制策略主要有：

1)固体氧化物燃料电池电压控制独立PI控制策略：即以功率输出稳定为目标，在整个控制过程中，将电池的温度看作一个定值。将电流看作一个干扰，控制氢气流率和空气流率达到一个固体氧化物燃料电池电压稳定输出的目的。由于电池输出温度控制的意义不大，所以单独控制电池输出温度的研究较少。

2)模型预测控制(MPC)方法：以电池输出功率和燃料利用率控制为目的。在整个控制过程中，将电池的温度看作一个定值。控制的输入变量为燃料的流率、空气的流率和电流。通过模型对未来系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。预测的方法有很多种，包括卡尔曼、GA-RBF神经网络等。

3)人工智能控制：以进气空气流量和进气增压压力为控制目标，基于非解析模型的控制器设计方法：如模糊逻辑控制方法，基于神经网络的控制方法等。

4)线性二次型控制方法(LQR)：以电池的功率、热交换器温度、鼓风机速度、固体氧化物燃料电池温度为控制目标，以热交换器鼓风速度、燃料气体流率为操作变量。

5)H无穷控制/H2控制：以电池输出电压和燃料利用率为控制目标，在整个控制过程中将电池工作温度看作一个定值。基于固体氧化物燃料电池模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围：如H无穷控制，最小二次型最优状态反馈控制律等。

6)非线性控制：以电池输出功率和电池输出温度为控制目标，基于固体氧化物燃料电池模型设计基于物理模型的非线性控制器：如基于Lyapunov稳定性理论的控制器设计方法，基于滑模控制等。

在整个固体氧化物燃料电池的控制过程中，只单独考虑电功率是不符合实际的，温度的存在会导致电池工作过程中很多的不确定性，将温度考虑在控制内是更符合实际的，同时也是更安全的。

以功率和温度作为控制目标有较大的耦合性，功率的增大会导致电池的工作温度增加，而电池工作温度的增加一方面会影响电池工作的不安全性，另一方面会导致电池输出功率变化，由此可知道策略1)是不安全的，策略1)在控制的过程中将电池工作温度看作一个定值，同时及时将电池温度考虑在内，而固体氧化物燃料电池系统是一个强耦合、非线性的系统，独立闭环PID控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想。

以电池输出功率和电池工作温度的控制策略的2)-3)存在固体氧化物燃料电池控制策略的精确性要求和简洁性要求构成一个明显的矛盾。该矛盾直接来源于电池输出功率和工作温度的强烈耦合和非线性。控制策略2)-3)需要非常强大的固体氧化物燃料电池控制单元来完成大量的实时计算，这对现有的控制单元是做不到的。正式由于控制策略的复杂性，对控制硬件有很高的要求，以及参数标定的困难等多方面的因素，故不适应实际控制系统的设计。

将氢气流率和空气流率作为操作变量，在实际的系统中也只能使固体氧化物燃料电池系统跟踪较小范围内的功率，而电流是对于功率输出影响最大的因素，而针对电流设计针对功率跟踪的控制器较为困难。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法解决了固体氧化物燃料电池功率跟踪和温度控制效果不理想的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法，包括以下步骤：

S1、建立管式固体氧化物燃料电池的电化学模型和热力学模型；

S2、通过电化学模型和热力学模型计算电池的电流变化率输入和空气流率输入，通过电流变化率输入和空气流率输入对电池进行输出功率和温度控制。

进一步地：所述步骤S1中管式固体氧化物燃料电池的电化学模型具体为：

上式中，V为输出电压，P为输出功率，I为电流变化率输入，T为电池三相反应界面温度，

为氢气摩尔质量分数，

为氧气摩尔质量分数，

为水摩尔质量分数，R为气体常数，F为法拉第常数，V_ohm为欧姆极化电压，V_act为极化电压，V_conc为浓差极化电压。

进一步地：所述极化电压V_act的计算公式为：

V_act＝0.15-T*2e^-5

所述欧姆极化电压V_ohm的计算公式为：

所述浓差极化电压V_conc的计算公式为：

进一步地：所述步骤S1中管式固体氧化物燃料电池的热力学模型具体为：

上式中，T_air,ann为阴极通道中的空气温度，T_air,ast为空气供应管中的空气温度，T_ast为空气供应管的温度，T_fuel为阳极通道中的燃料温度，T_cell为电池三相反应界面的温度，t为时间，m_air,ann为阴极通道中空气的质量，c_air,ann为阴极通道中空气的比热容，q_in,air,ann为阴极通道中空气进入的总焓，q_out,air,ann为阴极通道中输出的焓值，m_air,ast为空气供应管中空气的质量，c_air,ast为空气供应管中空气的比热容，q_in,air,ast为空气供应管中空气进入的焓值，q_out,air,ast为空气供应管中空气输出的焓值，m_ast为空气供应管的质量，c_ast为空气供应管的比热容，q_in,ast为空气供应管中进入的焓值，q_out,ast为空气供应管输出的焓值，m_fuel为阳极通道中燃料的质量，c_fuel为阳极通道中燃料的比热容，q_in,fuel为阳极通道中燃料进入的焓值，q_out,fuel为阳极通道中燃料输出的焓值，m_cell为电池三相反应界面的质量，c_cell为电池三相反应界面的比热容，q_chem为电池发生反应产生的总焓，q_ele为三相反应界面和空气供应管发生热辐射的焓值，q_conv,fuel为三相反应界面与阳极通道热交换的焓值，q_conv,air,ann为三相反应界面与阴极通道热交换的焓值，q_flow,fuel为阳极通道中未发生反应的燃料气体带走的焓值，q_flow,air为阴极通道中空气带走的焓值。

进一步地：所述步骤S2中电流变化率输入和空气流率输入的计算公式为：

上式中，

为空气流率输入，P为实际的电池功率测量值，P_ref为电池电功率参考值，T_ref为温度参考值，a₁、a₂、a₃、b₁和b₂均为中间参数，ε₁和ε₂均为滑膜控制器相应的参数，sgn(·)为符号函数。

进一步地：所述中间参数a₁的计算公式为：

上式中，P_c为阴极管道压力，

为阴极通道中氧气的压力，V_c为阴极通道体积；

所述中间参数a₂的计算公式为：

上式中，

为氢气在相应温度下的比热容，k为相应系数；

所述中间参数a₃的计算公式为：

上式中，x₁为氢气在阳极管道中的分压，P_a为阳极通道的压力，x₈为固体氧化物燃料电池的温度，V_a为阳极通道体积，a₅为中间参数；

其中，中间参数a₅的计算公式为：

上式中，x₇为阳极中的温度；

所述中间参数b₁的计算公式为：

上式中，x₃为氧气的分压，V_conv为浓差极化电压，k₂为相应系数；

所述中间参数b₂的计算公式为：

上式中，k₃、k₄、k₅、k₆和k₇均为相应系数，T_inlet为输入气体的温度。

本发明的有益效果为：本发明使系统能兼顾输出的功率和温度的耦合性情况下，能更快速的跟踪外部负载，并且在整个过程中燃料利用率都小于1。提出了以电流变化率和空气流率为操作变量的新型非线性控制策略，此方法是能够满足固体氧化物燃料电池的实际运行工况、且控制方法相对来说较为简单，且易实现。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明的控制示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

固体氧化物燃料电池的功率和温度是十分耦合的非线性系统。而电池在工作的时候需要工作温度在合适的区域，且功率输出能满足外部负载。其中电流的输入对于电池输出功率影响最大，同时也会对电池工作温度产生影响。而电池中的空气的通入主要会引起电池中的工作温度变化，但其也会对电池的功率产生影响。

用于控制电池中功率和温度的控制方法：根据获取电池的实际功率输出和温度实际值以及相应功率和温度参考值，使用表征固体氧化物燃料电池系统模型来确定系统的电流变化率以及空气流量。

利用配备有固体氧化物燃料电池的功率和温度准稳态特性关系曲线，建立表征固体氧化物燃料电池系统的物理模型，其可被用于有效地在各种工况条件下(包括瞬态和稳态)控制系统的电流变化率输入和空气流率，从而使固体氧化物燃料电池的输出功率和温度尽可能接近于期望的目标值。

根据电池实际输出功率的目标值P_ref，和电池温度输出温度的目标值T_ref,调节电池的电流输入率和空气输入流量，达到温度和功率同时跟踪的目的。

如图1和图2共同所示，一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法，包括以下步骤：

S1、建立管式固体氧化物燃料电池的电化学模型和热力学模型；

管式固体氧化物燃料电池的电化学模型具体为：

上式中，V为输出电压，P为输出功率，I为电流变化率输入，T为电池三相反应界面温度，

为氢气摩尔质量分数，

为氧气摩尔质量分数，

为水摩尔质量分数，R为气体常数，F为法拉第常数，V_ohm为欧姆极化电压，V_act为极化电压，V_conc为浓差极化电压。

所述极化电压V_act的计算公式为：

V_act＝0.15-T*2e^-5

所述欧姆极化电压V_ohm的计算公式为：

所述浓差极化电压V_conc的计算公式为：

在建立模型的过程中，将固体氧化物燃料电池分为五个部分建模，分别是空气供应管中的空气温度，空气供应管温度，阴极通道空气温度，阳极通道中燃料温度，电池三相反应界面温度温度。在建模的过程中主要考虑了热力学中的传热和固体与固体之间的热辐射，根据能量守恒建立了管式固体氧化物燃料电池中五个部分的热力学模型。管式固体氧化物燃料电池的热力学模型具体为：

阴极通道中空气的能量守恒模型为：

空气供应管中空气的能量守恒模型为：

空气供应管能量守恒模型为：

阳极通道中能量守恒模型为：

电池三相反应界面的能量守恒模型为：

上式中，T_air,ann为阴极通道中的空气温度，T_air,ast为空气供应管中的空气温度，T_ast为空气供应管的温度，T_fuel为阳极通道中的燃料温度，T_cell为电池三相反应界面的温度，t为时间，m_air,ann为阴极通道中空气的质量，c_air,ann为阴极通道中空气的比热容，q_in,air,ann为阴极通道中空气进入的总焓，q_out,air,ann为阴极通道中输出的焓值，m_air,ast为空气供应管中空气的质量，c_air,ast为空气供应管中空气的比热容，q_in,air,ast为空气供应管中空气进入的焓值，q_out,air,ast为空气供应管中空气输出的焓值，m_ast为空气供应管的质量，c_ast为空气供应管的比热容，q_in,ast为空气供应管中进入的焓值，q_out,ast为空气供应管输出的焓值，m_fuel为阳极通道中燃料的质量，c_fuel为阳极通道中燃料的比热容，q_in,fuel为阳极通道中燃料进入的焓值，q_out,fuel为阳极通道中燃料输出的焓值，m_cell为电池三相反应界面的质量，c_cell为电池三相反应界面的比热容，q_chem为电池发生反应产生的总焓，q_ele为三相反应界面和空气供应管发生热辐射的焓值，q_conv,fuel为三相反应界面与阳极通道热交换的焓值，q_conv,air,ann为三相反应界面与阴极通道热交换的焓值，q_flow,fuel为阳极通道中未发生反应的燃料气体带走的焓值，q_flow,air为阴极通道中空气带走的焓值。

固体氧化物燃料电池燃料利用率的计算公式为：

上式中，

为电池的燃料输入量，

为电池的燃料消耗量。为了达到燃料利用率的控制效果，将整个运行过程中的燃料利用率定为0.8，所以可以得到：

S2、通过电化学模型和热力学模型计算电池的电流变化率输入和空气流率输入，通过电流变化率输入和空气流率输入对电池进行输出功率和温度控制。

构造利亚普洛夫函数：

电流变化率输入和空气流率输入的计算公式为：

上式中，

为空气流率输入，P为实际的电池功率测量值，P_ref为电池电功率参考值，T_ref为温度参考值，a₁、a₂、a₃、b₁和b₂均为中间参数，ε₁和ε₂均为滑膜控制器相应的参数，sgn(·)为符号函数，sgn(y)＝1时，y＞0、sgn(y)＝-1时，y＜0。在每一个时刻确定了T、P、T_ref和P_ref的值后，会经过控制率得到相应的电流变化率输入和空气流率输入，在确定了电流变化率输入后，可以由燃料利用率公式得到氢气流率。

所述中间参数a₁的计算公式为：

上式中，P_c为阴极管道压力，

为阴极通道中氧气的压力，V_c为阴极通道体积；

所述中间参数a₂的计算公式为：

上式中，

为氢气在相应温度下的比热容，k为相应系数；

所述中间参数a₃的计算公式为：

上式中，x₁为氢气在阳极管道中的分压，P_a为阳极通道的压力，x₈为固体氧化物燃料电池的温度，V_a为阳极通道体积，a₅为中间参数；

其中，中间参数a₅的计算公式为：

上式中，x₇为阳极中的温度；

所述中间参数b₁的计算公式为：

上式中，x₃为氧气的分压，V_conv为浓差极化电压，k₂为相应系数；

所述中间参数b₂的计算公式为：

上式中，k₃、k₄、k₅、k₆和k₇均为相应系数，T_inlet为输入气体的温度。

本发明使系统能兼顾输出的功率和温度的耦合性情况下，能更快速的跟踪外部负载，并且在整个过程中燃料利用率都小于1。提出了以电流变化率和空气流率为操作变量的新型非线性控制策略，此方法是能够满足固体氧化物燃料电池的实际运行工况、且控制方法相对来说较为简单，且易实现。

Claims (3)

1.一种固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立管式固体氧化物燃料电池的电化学模型和热力学模型；

S2、通过电化学模型和热力学模型计算电池的电流变化率输入和空气流率输入，通过电流变化率输入和空气流率输入对电池进行输出功率和温度控制；

步骤S2中电流变化率输入和空气流率输入的计算公式为：

上式中，

表示电流变化率输入的一次导数，

为空气流率输入，T为电池三相反应界面温度，P为实际的电池功率测量值，P_ref为电池电功率参考值，T_ref为温度参考值，a₁、a₂、a₃、b₁和b₂均为中间参数，ε₁和ε₂均为滑膜控制器相应的参数，sgn(·)为符号函数；

所述步骤S1中管式固体氧化物燃料电池的电化学模型具体为：

上式中，V为输出电压，P为输出功率，I为电流变化率输入，T为电池三相反应界面温度，

为氢气摩尔质量分数，

为氧气摩尔质量分数，

为水摩尔质量分数，R为气体常数，F为法拉第常数，V_ohm为欧姆极化电压，V_act为极化电压，V_conc为浓差极化电压；

所述步骤S1中管式固体氧化物燃料电池的热力学模型具体为：

上式中，T_air,ann为阴极通道中的空气温度，T_air,ast为空气供应管中的空气温度，T_ast为空气供应管的温度，T_fuel为阳极通道中的燃料温度，T_cell为电池三相反应界面的温度，t为时间，m_air,ann为阴极通道中空气的质量，c_air,ann为阴极通道中空气的比热容，q_in,air,ann为阴极通道中空气进入的总焓，q_out,air,ann为阴极通道中输出的焓值，m_air,ast为空气供应管中空气的质量，c_air,ast为空气供应管中空气的比热容，q_in,air,ast为空气供应管中空气进入的焓值，q_out,air,ast为空气供应管中空气输出的焓值，m_ast为空气供应管的质量，c_ast为空气供应管的比热容，q_in,ast为空气供应管中进入的焓值，q_out,ast为空气供应管输出的焓值，m_fuel为阳极通道中燃料的质量，c_fuel为阳极通道中燃料的比热容，q_in,fuel为阳极通道中燃料进入的焓值，q_out,fuel为阳极通道中燃料输出的焓值，m_cell为电池三相反应界面的质量，c_cell为电池三相反应界面的比热容，q_chem为电池发生反应产生的总焓，q_ele为三相反应界面和空气供应管发生热辐射的焓值，q_conv,fuel为三相反应界面与阳极通道热交换的焓值，q_conv,air,ann为三相反应界面与阴极通道热交换的焓值，q_flow,fuel为阳极通道中未发生反应的燃料气体带走的焓值，q_flow,air为阴极通道中空气带走的焓值。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法，其特征在于，所述极化电压V_act的计算公式为：

V_act＝0.15-T*2e^-5

所述欧姆极化电压V_ohm的计算公式为：

所述浓差极化电压V_conc的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池输出功率和温度控制方法，其特征在于，所述中间参数a₁的计算公式为：

上式中，P_c为阴极管道压力，

为阴极通道中氧气的压力，V_c为阴极通道体积；

所述中间参数a₂的计算公式为：

上式中，

为氢气在相应温度下的比热容，k为相应系数；

所述中间参数a₃的计算公式为：

上式中，x₁为氢气在阳极管道中的分压，P_a为阳极通道的压力，x₈为固体氧化物燃料电池的温度，V_a为阳极通道体积，a₅为中间参数；

其中，中间参数a₅的计算公式为：

上式中，x₇为阳极中的温度；

所述中间参数b₁的计算公式为：

上式中，x₃为氧气的分压，V_conv为浓差极化电压，k₂为相应系数；所述中间参数b₂的计算公式为：

上式中，k₃、k₄、k₅、k₆和k₇均为相应系数，T_inlet为输入气体的温度。

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