【摘要】：固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換裝置,因具有高效率、無污染、全固態(tài)、燃料廣等優(yōu)點,在軍事、交通、電站等領域有廣闊的應用前景。SOFC電堆作為發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,其安全、穩(wěn)定、高效的運行是SOFC發(fā)電系統(tǒng)面向?qū)嶋H應用的關鍵。然而,SOFC電堆600~900℃的工作溫度給系統(tǒng)的高效率、長壽命運行帶來了諸多挑戰(zhàn)。電堆溫度過低時無法達到正常的熱激活狀態(tài),影響其電性能輸出;電堆溫度過高時材料的耐久性不足,運行壽命受到影響;由于局部溫度不盡相同,電堆內(nèi)部會產(chǎn)生一定的溫度梯度,溫度梯度過大使得電堆內(nèi)部固體材料的熱應力不均,導致電池變形甚至破裂。因此將電堆內(nèi)部溫度與溫度梯度控制在合適的范圍內(nèi),對其高性能和長壽命運行至關重要。進行電堆溫度及梯度管控,首先必須獲取電堆內(nèi)部溫度,但電堆對氣密性要求嚴苛,無法通過安裝熱電偶直接測量其內(nèi)部溫度。并且,針對平板式交叉流SOFC電堆,其內(nèi)部溫度更加復雜地分布在二維平面上,難以直接測量獲取。因此,根據(jù)電堆外部有限、易測量的輸入輸出參數(shù),設計出電堆溫度分布觀測器,快速準確地估計出電堆內(nèi)部溫度分布,對電堆溫度及梯度管控具有重要意義。本文將搭建電堆機理模型并對其進行驗證,通過電堆模型輸入輸出參數(shù)和動態(tài)特性分析,分別為觀測器的輸入?yún)?shù)選取及模型離散化步長提供設計基礎,并結(jié)合無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter,UKF)的非線性估計方法,搭建電堆溫度分布觀測器,實現(xiàn)輸入擾動及功率切換下的交叉流電堆內(nèi)部二維溫度分布的快速準確估計。首先,本文針對平板式交叉流SOFC電堆,采用機理建模方法在Matlab/Simulink平臺上建立二維機理模型,利用SOFC發(fā)電系統(tǒng)樣機長期測試獲得的實驗數(shù)據(jù)對電堆模型進行參數(shù)校正和熱電特性的充分驗證,保證模型的準確性。然后,基于電堆模型的輸入輸出參數(shù),分析并確定了后續(xù)觀測器的輸入變量選取,并基于電堆功率切換下的動態(tài)響應特性,由此確定觀測器設計時的電堆模型離散化步長選取,為功率波動下的電堆內(nèi)部溫度的高精度觀測提供設計基礎。最后,在對電堆模型進行離散化擴展之后,確定離散時域的電堆系統(tǒng)狀態(tài)與測量方程描述,結(jié)合UKF非線性估計算法,設計出全工作區(qū)間抗擾動的交叉流二維電堆溫度分布觀測器。在較大初始誤差、輸入階躍擾動和不同功率切換的過程中,所設計觀測器均能夠快速準確地估計出電堆內(nèi)部溫度及其分布,觀測器的初始收斂性能和動態(tài)響應的溫度估計效果均表現(xiàn)良好。本文的研究工作解決了交叉流SOFC電堆內(nèi)部溫度分布難以直接測量的問題,實現(xiàn)了快速準確的電堆內(nèi)部溫度分布估計,為面向應用的電堆的溫度管控過程奠定基礎,確保在實際應用場景中電堆及發(fā)電系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、高效地運行。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

圖 2.15 電堆模型和實驗電堆之間的動態(tài)溫度響應對比曲線如圖 2.14 所示的 450000s 以后，當電流為 53A、57A、62A 時，電堆功率分別為800W、850W、900W 的穩(wěn)態(tài)情況下，電堆溫度對比圖(如圖 2.15 中放大部分)中，穩(wěn)態(tài)溫度在電堆模型和實際測試的情況下幾乎相同，誤差在可接受的范圍。當堆電流從53A 變化至 57A 最后至 62A 時，電流呈兩個近似階躍的變化后，電堆溫度升高的過程中，可以看出溫度動態(tài)響應曲線在電堆模型和實際測溫點的變化趨勢也能夠保持一致，表明了電堆模型在溫度動態(tài)響應上的準確性。交叉流電堆的內(nèi)部溫度分布特性也是模型驗證必不可少的一個環(huán)節(jié)。在 Matlab平臺中，可使用 griddata 函數(shù)將變量分布點進行立方插值，形成更加均勻細致的電堆變量分布圖譜，由此直觀地觀察變量的分布趨勢[9]，因此本文中的實驗測量數(shù)據(jù)以及25 節(jié)點電堆模型的節(jié)點溫度組合也參考此方法，采用立方插值之后，使其可描述出實際邊長為 15*15cm 電堆在氣體流向二維平面上地的溫度分布圖，以此可直觀地觀

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本文編號：2729561