利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2025112041890
申请人: 苏州工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于,所述系统包括:

尾气组分分析模块,基于燃料电池排气口采集的尾气样本,对气体成分进行质谱分离检测,识别不同温度区间的可燃组分浓度,生成组分浓度分布图谱;

热交换拓扑构建模块,基于组分浓度分布图谱,解析尾气流速与热容特性,建立多级换热器拓扑网络,通过节点流量平衡方程优化热交换路径,生成热交换参数;

相变蓄热控制模块,基于热交换参数,部署相变材料阵列并划分温控区域,根据尾气温度衰减曲线匹配相变材料的熔融温度阈值,生成相变蓄热特性数据;

余压发电适配模块,基于相变蓄热特性数据,采集尾气压力波动信号,通过涡轮机特性曲线拟合压力能转化效率,生成发电功率预测参数;

梯级调度决策模块,基于组分浓度分布图谱、热交换参数、相变蓄热特性数据、发电功率预测参数,应用动态规划算法构建热能层级分配模型,采用拉格朗日乘子法求解多约束条件下的最优能流分配方案,生成梯级调度指令;

回用效能监控模块,基于梯级调度指令,实时追踪热能回收装置的运行状态,结合自适应观测器校正系统参数偏差,通过滑模控制策略维持热回收稳定性,生成监控反馈指令;

所述组分浓度分布图谱具体包含氢气残余量、一氧化碳浓度及甲烷热值,所述热交换参数包括换热介质流速、对数平均温差及传热系数,所述相变蓄热特性数据具体指相变材料潜热值分布及凝固点温度梯度,所述发电功率预测参数包括涡轮机转速适配范围及膨胀比容限,所述梯级调度指令包含热能分配优先级系数及缓冲储热容量阈值,所述监控反馈指令具体为换热介质流量修正因子及压力释放阀开度参数。

2.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述尾气组分分析模块包括质谱检测子模块、浓度解析子模块、分布生成子模块;

所述质谱检测子模块采用四级杆质量分析器分离尾气样本中的离子碎片,通过射频电场扫描获取不同质荷比谱峰强度,结合标准气体标定曲线量化各组分浓度,生成原始组分数据;

所述浓度解析子模块基于原始组分数据,应用高斯混合模型聚类不同温度区间的可燃组分分布,通过期望最大化算法迭代优化聚类中心位置,生成温度‑浓度映射关系;

所述分布生成子模块基于温度‑浓度映射关系,采用三次样条插值法补全未测温度点数据,结合热力学数据库匹配各组分的显热容特性,生成组分浓度分布图谱。

3.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述热交换拓扑构建模块包括网络建模子模块、路径优化子模块、参数生成子模块;

所述网络建模子模块根据换热器空间布局定义拓扑节点与连接边,通过图论算法构建邻接矩阵描述热交换路径,结合能量守恒定律建立节点热平衡方程组;

所述路径优化子模块基于邻接矩阵与热平衡方程组,采用分支定界法搜索可行热交换路径集,通过混合整数规划模型最小化系统总压降损失,生成优化拓扑结构;

所述参数生成子模块基于优化拓扑结构,计算各支路介质流量分配比例,结合传热学准则方程推导对数平均温差与传热系数,生成热交换参数。

4.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述相变蓄热控制模块包括材料部署子模块、温区划分子模块、特性生成子模块;

所述材料部署子模块依据尾气管道轴向温度分布曲线,配置多组熔融温度差异化的相变材料单元,通过封装壳体形成模块化蓄热阵列;

所述温区划分子模块基于蓄热阵列空间坐标,应用K均值聚类算法划分温度控制子区域,通过轮廓系数法确定最优聚类数量,生成温控区域边界数据;

所述特性生成子模块基于温控区域边界数据,匹配各区域内相变材料的DSC热分析曲线,提取相变潜热值与固液相变温度点,生成相变蓄热特性数据。

5.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述余压发电适配模块包括压力采集子模块、特性拟合子模块、参数预测子模块;

所述压力采集子模块采用压阻式传感器阵列监测尾气管网压力脉动,通过小波降噪算法滤除高频干扰分量,生成压力时域信号;

所述特性拟合子模块基于压力时域信号,解析涡轮机入口压力波动范围,应用非线性回归方法拟合涡轮机等熵效率与膨胀比的关系曲线;

所述参数预测子模块基于关系曲线,结合尾气质量流量数据计算理论输出功率,通过机械损失模型修正轴承摩擦损耗,生成发电功率预测参数。

6.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述梯级调度决策模块包括模型构建子模块、约束求解子模块、指令生成子模块;

所述模型构建子模块定义热能回收的四个能级层级,建立各层级能量流的输入输出状态方程,通过马尔可夫决策过程描述状态转移概率;

所述约束求解子模块基于状态方程,以系统总能效最大化为目标函数,采用库恩‑塔克条件处理换热面积限制与材料相变速率约束,生成最优能流分配向量;

所述指令生成子模块基于最优能流分配向量,解析各层级的热能传输时序要求,通过优先级调度算法分配缓冲储热装置的充放能指令,生成梯级调度指令。

7.根据权利要求1所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述回用效能监控模块包括状态追踪子模块、偏差校正子模块、指令生成子模块;

所述状态追踪子模块通过热电偶阵列实时采集换热介质温度分布,结合涡轮转速传感器数据构建系统运行状态向量;

所述偏差校正子模块基于状态向量与预设参考模型,应用龙伯格观测器估计未测量状态量,通过李雅普诺夫稳定性理论设计参数自适应律;

所述指令生成子模块基于自适应律输出,设计滑模切换函数控制换热介质调节阀开度,结合压力释放阀的滞回控制策略,生成监控反馈指令。

8.根据权利要求4所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述材料部署子模块包括壳体封装单元、导热增强单元、密封检测单元;

所述壳体封装单元采用高温合金焊接形成密封腔体,通过氦质谱检漏仪验证腔体气密性;

所述导热增强单元在相变材料内部嵌入金属泡沫骨架,通过电子束熔覆工艺在骨架表面生成碳化硅涂层;

所述密封检测单元基于腔体内置的压力传感器,监测相变材料膨胀导致的内部压力变化量,当压力超过阈值时触发安全泄压机制。

9.根据权利要求2所述的固体燃料电池尾气热能梯级回用系统,其特征在于:所述浓度解析子模块采用加权欧氏距离度量可燃组分相似度,通过轮廓系数法自动确定高斯混合模型聚类数量,结合贝叶斯信息准则优化模型复杂度参数。