一种确定固体氧化物燃料电池系统参数的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种确定固体氧化物燃料电池系统参数的方法，属于燃料电池领域。本发明专利技术通过对固体氧化物燃料电池系统进行静态分析，采用树形分类统计方法遍历采集系统的稳态输出操作点，形成操作点组；进一步利用立方卷积插值算法得到大量的操作点数据；在此扩大的稳态输出操作点组以及输出特性参数基础上找出满足系统温度约束的安全操作范围，并进一步找出不同功率下的最优操作点。本发明专利技术所找出的系统最优操作点是固体氧化物燃料电池系统稳态工作的最优参数组合，是固体氧化物燃料电池系统最优控制的基础，能够保障系统稳定、高效地运行。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于燃料电池领域。本专利技术通过对固体氧化物燃料电池系统进行静态分析，采用树形分类统计方法遍历采集系统的稳态输出操作点，形成操作点组；进一步利用立方卷积插值算法得到大量的操作点数据；在此扩大的稳态输出操作点组以及输出特性参数基础上找出满足系统温度约束的安全操作范围，并进一步找出不同功率下的最优操作点。本专利技术所找出的系统最优操作点是固体氧化物燃料电池系统稳态工作的最优参数组合，是固体氧化物燃料电池系统最优控制的基础，能够保障系统稳定、高效地运行。【专利说明】
本专利技术属于燃料电池领域，更具体地，涉及。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，以下简称S0FC)系统是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的系统。具有高能量转化效率、零污染、零噪声等突出特点，是一种十分理想的可替代能源，因此被认为是目前最有发展前途的燃料电池之一。衡量SOFC系统有很多重要的指标，例如燃料电池系统的价格、功率密度、安全性、可靠性、持久性以及电池的效率和寿命等。SOFC系统在应用过程中，首先要在保证其输出所需功率并在正常安全运行的前提下(往往是温度限制)，同时达到整个系统所能提供的最大热电联供效率，即要对整个SOFC系统的安全性以及效率来进行综合考虑，这一点也是其商业化必须克服的重要问题。SOFC系统主要有鼓风机、燃烧室、换热器、重整器、旁路阀及电堆等部件构成，其基本框架结构如图1所示。通常所采用的平板式SOFC单电池片的设计是将空气电极和固态电解质燃料电极烧结成为一体，从而形成三合一结构的阳极-电解质-阴极(PositiveeIectrode-ElectroIyte-Negative electrode,以下简称 PEN)板。而为了达到系统的功率需求，可将多个单电池片组合在一起形成电堆共同发电。SOFC在高温(600~1000°C )下进行化学反应，其高温的工作条件使得SOFC对材料要求极高。若电堆进口空气温度与氢气温度相差过大，容易使电堆产生变形；若电堆空间温度梯度过大，则会导致电堆内的热应力过大，使电堆产生变形甚至损坏。电堆内以及燃烧室内的最大温度要在保证系统效率的同时，也应在电堆、燃烧室材料的承受范围以内。因此，不仅要对电堆的进口温差以及空间温度梯度进行控制，还要对电堆的最大温度进行有效控制，同时，必须保证外围部分燃烧室内的温度在约束范围以内。这是保证整个燃料电池系统稳定、长寿命地运行的前提条件。SOFC工作在高温环境时，其工作效率一般在35%~55%之间，不同的输入操作点变量对燃料电池的输出温度以及效率存在综合影响。独立SOFC电堆必须配备相应的外围辅助子系统，才能构成一个完整的独立发电系统，其主要由五个子系统构成:燃料供应子系统、空气供应子系统、电堆子系统、尾气回收子系统以及电控子系统。美国专利US6608463B1、US7001682B2公开了一种比较完整的SOFC系统，但体积过大、成本过高、控制过于复杂，而且达不到温度约束需求。在此基础上，中国专利CN103236555A提供了一种SOFC系统，能够对系统热、电进行协同控制，为电堆提供稳定、最优的工作范围，提高系统效率，保证电堆使用寿命。但此SOFC系统没有从系统安全操作的角度进一步分析，若在操作过程中温度过高则容易导致系统破坏，而且效率达不到最优。
技术实现思路
针对现有的SOFC系统在操作过程中温度过高，效率达不到最优的缺陷，本专利技术提供一种确定SOFC系统参数的方法，在使系统效率最大化的同时能够使得系统温度维持在安全范围以内，从而确保为电堆提供稳定、最优的工作环境，提高系统效率，保证电堆使用寿命。本专利技术采用树形分类统计方法采集系统稳态输出操作点，利用立方卷积插值算法插值得到大量数据点，进一步在此大量数据点基础上找出满足系统温度约束的所有安全操作点，并在所有安全操作点内找出不同功率下的最优操作点。本专利技术提供，包括:步骤I选定固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，包括:电堆电流Ist、旁路阀开度BP、空气过量比AR和燃料利用率FU，采用分级统计的数据遍历方式，设定所述电堆电流Ist为一级参数，设定所述旁路阀开度BP为二级参数，设定所述空气过量比AR和所述燃料利用率FU为三级参数,保持所述一级参数和所述二级参数为常量,所述三级参数为变量，分别设定所述多个操作参数的取值范围和离散精度，将所述多个操作参数分别在其所述取值范围内按所述离散精度进行离散化，所述多个操作参数离散化后的每一组取值组成操作点(Ist，BP, AR, FU)，遍历采集所有操作点的电特性输出参数及热特性输出参数，所述电特性输出参数包括系统输出功率P和系统效率Π，所述热特性输出参数包括电堆内最大阳极-电解质-阴极温度梯度、电堆内最大阳极-电解质-阴极温度、电堆入口气体温差和燃烧室出口温度，得到第一操作点组以及所述电特性输出参数及热特性输出参数。本专利技术所研究的SOFC独立发电系统有四个操作参数，其计算公式分别为:(I)燃料利用率FU【权利要求】1.，包括: 步骤I选定固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，包括:电堆电流Ist、旁路阀开度BP、空气过量比AR和燃料利用率FU，采用分级统计的数据遍历方式，设定所述电堆电流Ist为一级参数，设定所述旁路阀开度BP为二级参数，设定所述空气过量比AR和所述燃料利用率FU为三级参数,保持所述一级参数和所述二级参数为常量,所述三级参数为变量,分别设定所述多个操作参数的取值范围和离散精度，将所述多个操作参数分别在其所述取值范围内按所述离散精度进行离散化，所述多个操作参数离散化后的每一组取值组成操作点(Ist, BP, AR, FU)，遍历采集所有操作点的电特性输出参数及热特性输出参数，所述电特性输出参数包括系统输出功率P和系统效率Π，所述热特性输出参数包括电堆内最大阳极-电解质-阴极温度梯度、电堆内最大阳极-电解质-阴极温度、电堆入口气体温差和燃烧室出口温度，得到第一操作点组以及所述电特性输出参数及热特性输出参数； 步骤2在所述多个操作参数的所述取值范围内设定所述多个操作参数的插值精度，按所述插值精度对所述第一操作点组内的操作点进行立方卷积插值，得到第二操作点组以及所述第二操作点组内每一操作点所对应的电特性输出参数及热特性输出参数； 步骤3设定所述固体氧化物燃料电池系统的热特性输出参数约束条件，并根据所述步骤2得出的所述输出特性参数在所述第二操作点组内剔除不满足所述热特性输出参数约束条件的操作点，得到第三操作点组； 步骤4设定特定功率Psrt，在所述第三操作点组内找出输出功率P满足|P-Psrt| ( α所对应的操作点，其中α为误差允许范围，得到在特定功率条件下满足所述热特性输出参数约束条件的第四操作点组； 步骤5在所述第四操作点组中找出所述固体氧化物燃料电池系统的效率最高点，即为最优操作点，以控制所述固体氧化物燃料电池系统工作在安全操作范围内且效率最高。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤I中对所述操作点(Ist，BP,AR, FU)的遍历采集方式具体为: 分别对所述一级操作参数离散化后的每一取值点遍历组合所述二级操作参数离散化后的各取值点，并分别对所述二级操作参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定固体氧化物燃料电池系统参数的方法，包括：步骤1选定固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，包括：电堆电流Ist、旁路阀开度BP、空气过量比AR和燃料利用率FU，采用分级统计的数据遍历方式，设定所述电堆电流Ist为一级参数，设定所述旁路阀开度BP为二级参数，设定所述空气过量比AR和所述燃料利用率FU为三级参数，保持所述一级参数和所述二级参数为常量，所述三级参数为变量，分别设定所述多个操作参数的取值范围和离散精度，将所述多个操作参数分别在其所述取值范围内按所述离散精度进行离散化，所述多个操作参数离散化后的每一组取值组成操作点(Ist,BP,AR,FU)，遍历采集所有操作点的电特性输出参数及热特性输出参数，所述电特性输出参数包括系统输出功率P和系统效率η，所述热特性输出参数包括电堆内最大阳极‑电解质‑阴极温度梯度、电堆内最大阳极‑电解质‑阴极温度、电堆入口气体温差和燃烧室出口温度，得到第一操作点组以及所述电特性输出参数及热特性输出参数；步骤2在所述多个操作参数的所述取值范围内设定所述多个操作参数的插值精度，按所述插值精度对所述第一操作点组内的操作点进行立方卷积插值，得到第二操作点组以及所述第二操作点组内每一操作点所对应的电特性输出参数及热特性输出参数；步骤3设定所述固体氧化物燃料电池系统的热特性输出参数约束条件，并根据所述步骤2得出的所述输出特性参数在所述第二操作点组内剔除不满足所述热特性输出参数约束条件的操作点，得到第三操作点组；步骤4设定特定功率Pset，在所述第三操作点组内找出输出功率P满足|P‑Pset|≤α所对应的操作点，其中α为误差允许范围，得到在特定功率条件下满足所述热特性输出参数约束条件的第四操作点组；步骤5在所述第四操作点组中找出所述固体氧化物燃料电池系统的效率最高点，即为最优操作点，以控制所述固体氧化物燃料电池系统工作在安全操作范围内且效率最高。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，张琳，蒋建华，杨杰，李箭，刘亚丽，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42