CN113793954B - 一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，当固体氧化物燃料电池外部负载功率增大时，在固定的固体氧化物燃料电池的燃料传输延迟的时间下，通过静态寻优算法找静态条件下，初始功率P 0 与最终功率P 1 的最优操作点；本发明能够确定不同功率条件下的最优操作点，同时获得不通过功率切换条件下的电堆电流切换轨迹，为SOFC系统与其他能源系统的混合动力系统管理提供参考。

Description

一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法
技术领域
本发明涉及混合动力系统管理领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。具有功率密度高、燃料适应性强、全固态结构、设备简单、无卡诺循环的限制、转化效率高等优点。其成功应用对于缓解能源危机、满足电力需求、保护生态环境以及保障国家安全都具有重大的现实意义。
SOFC系统对其发电效率要求极为苛刻，同时，当外部负载功率增大时，由于燃料传输延时，容易产生燃料亏空。这两个问题是困扰SOFC系统大规模推广应用的首要核心问题。由于SOFC造价昂贵，实际上不可能通过多次实际实验对其燃料亏空与最大效率进行综合性分析，因此有必要基于实验验证的物理模型对系统进行仿真研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，避免燃料亏空，保证电堆使用寿命与操作安全性。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，当固体氧化物燃料电池外部负载功率增大时，在固定的固体氧化物燃料电池的燃料传输延迟的时间下，通过静态寻优算法找静态条件下，初始功率P 0 与最终功率P 1 的最优操作点，具体为：
假设所述外部负载在
Figure 103390DEST_PATH_IMAGE001
时刻，由所述初始功率P 0 上升到所述最终功率P 1 ，燃料传输延迟时间为
Figure 286110DEST_PATH_IMAGE002
，固体氧化物燃料电池系统输入的氢气流量为
Figure 144475DEST_PATH_IMAGE003
，输入的空气流量为
Figure 602001DEST_PATH_IMAGE004
，旁路阀开度为
Figure 196800DEST_PATH_IMAGE005
，电堆电流为
Figure 284841DEST_PATH_IMAGE006
，则操作点的组合为
Figure 614192DEST_PATH_IMAGE007
；
通过所述静态寻优算法找静态条件下，所述初始功率P 0 与所述最终功率P 1 的效率最大点的操作参数组合为
Figure 891720DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 826178DEST_PATH_IMAGE009
，即所述最优操作点。
进一步，确定任意一个使固体氧化物燃料电池的燃料不亏空的初始电流调节时间，假设电流均匀上升，确定电流上升速率与电堆电流，具体为：
假设所述初始电流调节时间为
Figure 131127DEST_PATH_IMAGE010
，则所述电流上升速率为
Figure 213352DEST_PATH_IMAGE011
，所述电堆电流
Figure 215943DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure 817957DEST_PATH_IMAGE013
。
进一步，根据电流调节时间，通过仿真分析，在不同所述电流上升速率的条件下，确定所述电堆电流切换轨迹，检测固体氧化物燃料电池的电堆输出氢气流量。
进一步，若所述电堆输出氢气流量有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时减小电流调节时间，即增大所述电流上升速率并仿真分析；
若所述电堆输出氢气流量没有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料亏空，此时通过增大所述电流调节时间，以确定最优电流调节时间。
进一步，所述增大电流上升速率并仿真分析，具体为：
假设操作参数
Figure 310118DEST_PATH_IMAGE014
,
Figure 332170DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 872872DEST_PATH_IMAGE016
在所述最优操作点间进行阶跃变换，所述电堆电流基于不同所述电流上升速率确定切换轨迹，通过仿真分析，检测电堆输出氢气流量，若
Figure 844239DEST_PATH_IMAGE017
，则所述固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时，减小电流调节时间
Figure 195717DEST_PATH_IMAGE018
，其中，
Figure 252535DEST_PATH_IMAGE019
为一个正数值，并再次进行所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量。
进一步，所述通过增大所述电流调节时间，以确定最优电流调节时间，具体为：
通过所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量，一旦出现
Figure 596929DEST_PATH_IMAGE020
，则固体氧化物燃料电池系统燃料产生亏空，此时，增大电流调节时间
Figure 672070DEST_PATH_IMAGE021
，此时，则不出现燃料亏空的最优电流调节时间。
本发明的有益效果为：本发明的第一目的是基于物理模型，通过寻优算法，找到负载功率静态输出条件下的最优操作点，保证最大效率输出。本发明的第二目的是在特定的燃料延迟时间下，找到外部负载上升时的最优电流调节时间，避免燃料亏空，保证电堆使用寿命与操作安全性。本发明对SOFC燃料电池系统混合动力管理有很好的指导作用，克服了负载功率上升时的操作经验知识的不足的问题。
此外，针对现有固体氧化物燃料电池外部负载功率增大，最优化操作经验知识的不足提出了一种最优操作方法。利用寻优算法，针对不同输出功率寻优找到最优操作点，使SOFC系统输出最大效率。
通过循环迭代仿真找到刚好不出现燃料亏空的电流调节时间，确定固定负载功率上升条件下的最优电流调节时间，以期SOFC系统进行快速负载跟踪。这样，既保证了快速负载跟踪，又不会出现燃料亏空问题，同时还能实现SOFC系统高效率运行。
此方法得到的最优操作点与最优电流调节时间既可以作为先验知识，在控制器设计时加以运用，实现高效率、安全快速负载跟踪操作，又能为SOFC系统与其他能源系统的混合动力系统管理提供参考。本发明适用于实际的工程应用，为系统功率切换控制、混合动力管理提供了新的解决思路。
附图说明
图1为本发明一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法的流程图；
图2为实施例一5kW SOFC系统模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，当固体氧化物燃料电池外部负载功率增大时，在固定的固体氧化物燃料电池的燃料传输延迟的时间下，通过静态寻优算法找静态条件下，初始功率P 0 与最终功率P 1 的最优操作点，具体为：
假设所述外部负载在t 0 时刻，由所述初始功率P 0 上升到所述最终功率P 1 ，燃料传输延迟时间为
Figure 974875DEST_PATH_IMAGE022
，固体氧化物燃料电池系统输入的氢气流量为
Figure 191093DEST_PATH_IMAGE023
，输入的空气流量为
Figure 886648DEST_PATH_IMAGE024
，旁路阀开度为
Figure 567028DEST_PATH_IMAGE025
，电堆电流为
Figure 24423DEST_PATH_IMAGE026
，则操作点的组合为
Figure 790253DEST_PATH_IMAGE027
；
通过所述静态寻优算法找静态条件下，所述初始功率P 0 与所述最终功率P 1 的效率最大点的操作参数组合为
Figure 476450DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 27648DEST_PATH_IMAGE029
，即所述最优操作点。
确定任意一个使固体氧化物燃料电池的燃料不亏空的初始电流调节时间，假设电流均匀上升，确定电流上升速率与电堆电流，具体为：
假设所述初始电流调节时间为T 0，则所述电流上升速率为
Figure 406677DEST_PATH_IMAGE030
，所述电堆电流
Figure 909071DEST_PATH_IMAGE031
为：
Figure 398958DEST_PATH_IMAGE032
。
根据电流调节时间，通过仿真分析，在不同所述电流上升速率的条件下，确定所述电堆电流切换轨迹，检测固体氧化物燃料电池的电堆输出氢气流量。
若所述电堆输出氢气流量有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时减小电流调节时间，即增大所述电流上升速率并仿真分析，具体为：假设操作参数
Figure 788351DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 89014DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 829437DEST_PATH_IMAGE035
在所述最优操作点间进行阶跃变换，所述电堆电流基于不同所述电流上升速率确定切换轨迹，通过仿真分析，检测电堆输出氢气流量，若
Figure 123015DEST_PATH_IMAGE036
，则所述固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时，减小电流调节时间
Figure 881761DEST_PATH_IMAGE037
，其中，
Figure 337013DEST_PATH_IMAGE038
为一个正数值，并再次进行所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量。
若所述电堆输出氢气流量没有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料亏空，此时通过增大所述电流调节时间，以确定最优电流调节时间，具体为：
通过所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量，一旦出现
Figure 49885DEST_PATH_IMAGE039
，则固体氧化物燃料电池系统燃料产生亏空，此时，增大电流调节时间
Figure 678313DEST_PATH_IMAGE040
，此时，则不出现燃料亏空的电流调节时间，此电流调节时间为最优电流调节时间。
具体实施例一
参见图2，基于SOFC系统组成建立5kW SOFC系统模型。包括鼓风机1、换热器2、电堆3、尾气燃烧室4和功率变换器5；其中，功率变换器5与外部负载6相连接。利用寻优算法确定不同功率下的最优操作点。表1列出了不同功率下的SOFC系统最优操作点及效率。
Figure 557145DEST_PATH_IMAGE041
固体氧化物燃料电池为外部负载提供电能，假设外部负载功率在
Figure 714457DEST_PATH_IMAGE042
由2kW上升到4kW，对应的最优操作点为（20,0.1, 0.01543, 0.19841）和（44,0, 0.03419,0.43649）。SOFC系统燃料延迟时间
Figure 632734DEST_PATH_IMAGE043
，此时操作参数
Figure 81164DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 237339DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 611557DEST_PATH_IMAGE046
直接进行阶跃变换，假设初始电流调节时间为
Figure 485972DEST_PATH_IMAGE047
，则电流上升速率为0.24 A/s，电堆电流
Figure 721782DEST_PATH_IMAGE048
为：
Figure 811092DEST_PATH_IMAGE049
系统电流调节时间越长，燃料越不容易产生亏空，参见图2，假设
Figure 841365DEST_PATH_IMAGE050
，进行循环迭代，找到刚好不出现燃料亏空的最优电流调节时间。通过仿真发现，此案例下最优电流调节时间为60s，则通过计算得到最优电流上升速率为0.4A/s，基于电流上升速率可得到电堆电流调节曲线。在此条件下，SOFC能够同时满足快速负载跟踪并且不产生燃料亏空，由于切换点是最优操作点，此时燃料电池能够实现高效率负载输出，适用于实际的工程应用。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，其特征在于：当固体氧化物燃料电池外部负载功率增大时，在固定的固体氧化物燃料电池的燃料传输延迟的时间下，通过静态寻优算法找静态条件下，初始功率P 0 与最终功率P 1 的最优操作点，具体为：
假设所述外部负载在
Figure 2594DEST_PATH_IMAGE001
时刻，由所述初始功率P 0 上升到所述最终功率P 1 ，燃料传输延迟时间为
Figure 331813DEST_PATH_IMAGE002
，固体氧化物燃料电池系统输入的氢气流量为
Figure 232904DEST_PATH_IMAGE003
，输入的空气流量为
Figure 296675DEST_PATH_IMAGE004
，旁路阀开度为
Figure 807160DEST_PATH_IMAGE005
，电堆电流为
Figure 820246DEST_PATH_IMAGE006
，则操作点的组合为
Figure 875927DEST_PATH_IMAGE007
；通过所述静态寻优算法找静态条件下，所述初始功率P 0 与所述最终功率P 1 的效率最大点的操作参数组合为
Figure 941841DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 741170DEST_PATH_IMAGE009
，即所述最优操作点；
确定任意一个使固体氧化物燃料电池的燃料不亏空的初始电流调节时间，假设电流均匀上升，确定电流上升速率与电堆电流，具体为：
假设所述初始电流调节时间为T 0，则所述电流上升速率为
Figure 77604DEST_PATH_IMAGE010
，所述电堆电流
Figure 569765DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 654134DEST_PATH_IMAGE012
增大所述电流上升速率并仿真分析，具体为：
假设操作参数
Figure 257154DEST_PATH_IMAGE013
,
Figure 713674DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 111157DEST_PATH_IMAGE015
在所述最优操作点间进行阶跃变换，所述电堆电流基于不同所述电流上升速率确定切换轨迹，通过仿真分析，检测电堆输出氢气流量，若
Figure 151663DEST_PATH_IMAGE016
，则所述固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时，减小电流调节时间
Figure 292794DEST_PATH_IMAGE017
，其中，
Figure 603821DEST_PATH_IMAGE018
为一个正数值，并再次进行所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，其特征在于：根据电流调节时间，通过仿真分析，在不同所述电流上升速率的条件下，确定所述电堆电流切换轨迹，检测固体氧化物燃料电池的电堆输出氢气流量。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，其特征在于：
若所述电堆输出氢气流量有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料不亏空，此时减小电流调节时间，即增大所述电流上升速率并仿真分析；
若所述电堆输出氢气流量没有裕量，则固体氧化物燃料电池系统燃料亏空，此时通过增大所述电流调节时间，以确定最优电流调节时间。
4.根据权利要求3所述的一种固体氧化物燃料电池负载上升时的参数调节方法，其特征在于：所述通过增大所述电流调节时间，以确定最优电流调节时间，具体为：
通过所述仿真分析，检测电堆输出氢气流量，一旦出现
Figure 172206DEST_PATH_IMAGE019
，则固体氧化物燃料电池系统燃料产生亏空，此时，增大电流调节时间
Figure 903270DEST_PATH_IMAGE020
，此时，则不出现燃料亏空的最优电流调节时间。
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