靳方圆 熊 超 周海峰* 黄元庆

(1.集美大学 轮机工程学院， 厦门 361021; 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室, 厦门 361021；3.厦门大学 航空航天学院， 厦门 361102)

引 言

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)的工作温度在600～1 000 ℃之间，是一种很有前途的可持续能源转换装置，具有广泛的应用前景。该装置的优点是效率高、燃料灵活、污染物排放低，并且可以与热电联产利用SOFC产生的余热实现能量的充分利用。然而较高的工作温度也给该技术带来严峻的挑战，如材料的选择、热管理、可靠性和耐久性等等。与温度及其分布相关的热管理因可以对电池完整性、电池电压、电流密度分布和功率输出等方面产生直接影响，是决定电池性能和堆栈行为的关键因素[1-3]。

SOFC是一种大时滞、强耦合和非线性的动态装置，分析其动态特性行为需要精确的动力学模型。目前学界已在SOFC的非线性动力学建模方面取得许多进展[4-6]。这些模型适合用于电堆结构的设计和优化，但对于控制器的设计来说却过于复杂。因此为提高SOFC的寿命和性能，采取现代控制策略作为SOFC的电控器算法势在必行。燃料利用率、堆栈终端电压和堆栈内温度是SOFC系统控制的3个最重要变量，其中燃料利用率和堆栈终端电压对负载的阶跃变化的响应速度较快，且具有较强的非线性，因此采用模型预测控制(model predictive control，MPC)对其进行控制；而堆栈内温度对负载阶跃变化的响应速度缓慢，传统的比例积分微分(proportion integration differentiation，PID)控制即可以满足控制需求。MPC是近年来备受关注的一种先进控制方法[7-9]。……