[发明专利]一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法

权利要求书

1.一种固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤一、以质量守恒和能量守恒为基础的机理建模方式，对固体氧化物燃料电池建立非线性电堆温度模型，并对电堆温度模型进行有限元处理； 

步骤二、以步骤一有限元处理后的电堆温度模型为参考对象，以滑模控制为理论基础，设计用于估计固体氧化物燃料电池电堆内部温度分布的包含反馈增益系数的非线性电堆温度观测器,将观测器的输出与固体氧化物燃料电池电堆的实际输出之差记为观测误差，将其作为反馈量作用于观测器，以使观测误差收敛至零； 

步骤三、对步骤一建立的非线性电堆温度模型在电堆运行稳定工况下，进行线性化处理得到线性电堆温度模型； 

步骤四、向线性电堆温度模型和非线性电堆温度模型的输入分别施加扰动，比较两模型在相同的输入和扰动下的响应差异，若两模型表现出的差异在可接受范围之内，则进入步骤五； 

步骤五、使用经步骤四检验过的线性电堆温度模型代替步骤一建立的非线性电堆温度模型作为参考对象，设计与步骤二相同结构的电堆温度观测器，并在极点配置保证观测误差收敛的情况下，求解出反馈增益系数，并将其替代步骤二建立的非线性温度观测器中的反馈增益系数，至此非线性电堆温度观测器构建完毕； 

步骤六、将固体氧化物燃料电池的实际输入作为电堆温度观测器输入，将电堆温度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。 

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤一在建立非线性电堆温度模型中，视电堆内的燃料与固体层温度相同并记为T_sol，电堆内空气的温度记为T_air，以T_los和^T_air作为非线性电堆温度模型的温度变量。 

3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述步骤一的具体实现方式为： 

所述固体氧化物燃料电池的电堆由若干片单电池并联而成，视每片单电池具有完全相同的动态行为；对单电池进行建模，然后将若干片单电池模型组合即得非线性电堆温度模型；所述单电池建模的具体实现方式为： 

将单电池从气体入口到出口依次等分为N个节点； 

第k个节点内的燃料成分j的摩尔分数模型为： 

第k个节点内的空气成分i的摩尔分数模型为： 

第k个节点内的空气温度模型为： 

第k个节点的固体层温度模型为： 

第k个节点的能斯特电压模型为： 

其中，和分别为第k个节点内的燃料和空气的摩尔量，和分别为流出第k个节点的燃料和空气摩尔流速，和分别为第k个节点内的 燃料成分j和空气成分i的摩尔反应速率，为空气的恒容比热容，为第k个节点内的空气温度，为空气流经第k个节点带入和带出的能量之差的变化率，为第k个节点内固体层的温度，分别为第k个节点内固体层的密度、体积和比热容，为燃料流经第k个节点带入和带出的能量之差的变化率；为第k个节点的固体层传递给空气的热量的变化率；为第k个节点的空气传递给固体层的热量的变化率；为相邻节点的固体层传递给第k个节点的固体层间的热量的变化率；为第k个节点内电化学反应产生的热量变化率；为第k个节点的输出功率，是第k个节点的能斯特电压，R为理想气体常数，F为法拉第常数，分别为第k个节点的氢气、氧气和水蒸气的摩尔分数； 

将上述模型抽象为以下形式： 

其中： 

为电堆入口燃料流速，为电堆入口空气流速， 

w＝I_tot， 

y是待定输出，f₁和f₂是对非线性模型方程中相关变量关系的函数抽象。 

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的电堆温度分布估计方法，其特征在于，所述非线性温度观测器的输入量包括电堆入口处的燃料流速、燃料温度、空气流速和空气温度，非线性温度观测器的输出量包括电堆出口处的燃料温度和空气温度，以及电堆内部空气温度和固体层温度。