SOFC系統(tǒng)性能評(píng)估與健康管控

提綱

1

SOFC系統(tǒng)現(xiàn)狀華中科技大學(xué)SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估與健康管控成果轉(zhuǎn)化與展望1.1

SOFC系統(tǒng)-特點(diǎn)燃料電池：化學(xué)能——電能；儲(chǔ)能電池：電能——電能；SOFC特點(diǎn)：效率高、燃料廣、高能比、低排放。吃粗糧CO2H2OCO2H2OH2OH2O陽(yáng)極陰極MCFC600—800?（內(nèi)重整）CO32-PAFC160—220?PEMFC60—100?AFC70?H2OSOFC600—1000?（內(nèi)重整）O2-H+H+OH-燃料電池種類汽油天然氣甲醇?xì)錃庹舭l(fā)脫硫CH4,C2H5,CH3OH...H2,COH2,CO2H2,CO2Pure

H2蒸汽重整反應(yīng)650—700?水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)200—400?CO選擇性氧化反應(yīng)移除CO2CO＜0.5%CO＜10ppm100%H2O2O2

，

CO2O2O2O2,移除CO21.2

SOFC系統(tǒng)-原理示意圖H2+O2-

?CO+O2-

?H2O+2e-CO2+2e-換熱器1換熱器2重整器蒸發(fā)器尾氣燃燒室CH4+H2O分離器冷凝器回收泵CH4+H2O

?

CO+3H2CO+H2O

?

CO2+H2換熱器3鼓風(fēng)機(jī)Tb

<

1000?MaxT

<

900?Max

ΔT

<

10?/CM700?<T重整器<900?百瓦級(jí)到兆瓦級(jí)SOFC系統(tǒng)應(yīng)用：熱電聯(lián)供、分布式電站、移動(dòng)載體動(dòng)力電源等。1.3SOFC系統(tǒng)-示范（陸-海-空）1.4

SOFC系統(tǒng)-國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀煤基燃料的1~15kW

SOFC系統(tǒng)示范（晉煤集團(tuán)/華清京昆

/清華

/礦大）1~25kW級(jí)SOFC示范系統(tǒng)（寧波所、索福人）kW級(jí)SOFC系統(tǒng)（三環(huán)、CFCL）

1~5kW級(jí)SOFC系統(tǒng)（上海硅所）1~5kW級(jí)SOFC示范系統(tǒng)（華科大、福賽）1.5

SOFC系統(tǒng)-目標(biāo)任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)共性問(wèn)題：性能退化機(jī)理性能評(píng)估與診斷健康管控燃料電池全球市場(chǎng)部署要點(diǎn)：可靠性、耐久性、實(shí)用性高生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用降低1.6

SOFC系統(tǒng)-歐盟（評(píng)估與控制）歐盟‘DIAMOND’項(xiàng)目-SOFC系統(tǒng)診斷與控制?。?！機(jī)構(gòu)主要任務(wù)HyGear

B.V.,荷蘭熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成和測(cè)試CEA，法國(guó)診斷工具、電池片和電堆測(cè)試開發(fā)VTT，芬蘭電堆和系統(tǒng)測(cè)試Salerno，意大利建模、診斷、控制和數(shù)據(jù)分析Htceramix

SA,瑞士熱箱集成，電池片和電堆供應(yīng)INEA，斯洛文尼亞控制策略集成和實(shí)施JOZEFSTEFAN，斯洛文尼亞先進(jìn)控制設(shè)計(jì)

提綱

1

SOFC系統(tǒng)華中科技大學(xué)SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估與健康管控成果轉(zhuǎn)化與展望2.1

From

Powder

（粉末）To

Power（電力）in

HUST/HKFCPowderCellStackBOPPower

systemCathodeElectrolyteAnode

FunctionAnode

Support單電池電

堆發(fā)電系統(tǒng)燃燒器換熱后氣體重整器進(jìn)過(guò)陰陽(yáng)極平衡換熱器（balance

of

plant,BOP

）冷空氣預(yù)熱再經(jīng)過(guò)陰陽(yáng)極平衡換熱器輔助設(shè)備陰/陽(yáng)/電解質(zhì)材料性能評(píng)估與管控系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)教授5人、副教授4人，博后/工程師/研究生50人。2.2轉(zhuǎn)化成果kW級(jí)SOFC系統(tǒng)逾千小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行燃料：普通甲烷；SOFC系統(tǒng)功率：kW級(jí)輸出；電堆效率:54.09%；系統(tǒng)效率:49.7%。效率高壽命長(zhǎng)衰減小運(yùn)行不穩(wěn)定壽命短效率低工作參數(shù)的波動(dòng)、變化功率波動(dòng)溫度變化電流電化學(xué)反應(yīng)劇烈程度變化放出發(fā)電熱量變化

變化SOFC系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì);電堆入口SOFC系統(tǒng)反熱應(yīng)管物理;流量、溫度SOFC系統(tǒng)功率跟蹤;SOFC系統(tǒng)效率優(yōu)化。電堆電特性V-I曲線變化2.3

300W~5kW級(jí)全工況SOFC系統(tǒng)測(cè)試不同溫度/燃料利用率SOFC性能；電堆/系統(tǒng)效率；動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性；熱電氣耦合與自維持特性。

提綱

SOFC系統(tǒng)華中科技大學(xué)SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估與健康管控成果轉(zhuǎn)化與展望3.1

SOFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)級(jí)SOFC電堆運(yùn)行性能衰減3.2

SOFC系統(tǒng)主要故障系統(tǒng)（含BOP部件）故障系統(tǒng)傳感采集等過(guò)程變量標(biāo)定失真系統(tǒng)控制單元發(fā)生故障電堆工作溫度與梯度過(guò)大系統(tǒng)熱交換器故障、重整器積碳、去離子水供應(yīng)故障熱電偶/壓力計(jì)等標(biāo)定錯(cuò)誤風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、功率變換與控制器等故障3.3系統(tǒng)性能需求快速負(fù)載跟蹤最優(yōu)系統(tǒng)效率系統(tǒng)輸出功率變化電堆電化學(xué)反應(yīng)速率變化燃料供給延遲系統(tǒng)的溫度變化電堆溫度BOP系統(tǒng)溫度燃料不能及時(shí)滿足功率需求燃料不足導(dǎo)致虧空系統(tǒng)空氣流量風(fēng)機(jī)寄生功率外部負(fù)載需求功率變化熱管理溫度約束燃料供給問(wèn)題系統(tǒng)發(fā)電效率關(guān)鍵問(wèn)題一：防止燃料虧空關(guān)鍵問(wèn)題二：溫度約束管控來(lái)自燃料供給、溫度變化、寄生負(fù)載波動(dòng)的影響引起電堆輸出電流變化時(shí)間為毫秒級(jí)電堆溫度影響

通過(guò)空氣電化學(xué)

流量與BP反應(yīng)強(qiáng)

閥門管控度影響電堆入口氫氣含量燃燒室溫度電堆入口氣體溫差電堆最大工作溫度電堆溫度梯度關(guān)鍵問(wèn)題三：系統(tǒng)效率優(yōu)化關(guān)鍵問(wèn)題四：快速負(fù)載跟蹤系統(tǒng)的輸出功率電特性響應(yīng)快速溫度特性響應(yīng)緩慢大的熱慣性導(dǎo)致負(fù)載跟蹤緩慢電化學(xué)反應(yīng)速率決定系統(tǒng)輸出功率SOFC系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命與高效率SOFC系統(tǒng)評(píng)估與管控目標(biāo)：高效、長(zhǎng)壽命SOFC系統(tǒng)集成與控制方法實(shí)現(xiàn)。3.3.1

SOFC系統(tǒng)多模態(tài)模型建立（機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)）SOFC系統(tǒng)模型開發(fā)監(jiān)測(cè)模型3.3.2SOFC溫度梯度分布觀測(cè)器最小化可觀、易測(cè)狀態(tài)變量組合優(yōu)化“全可測(cè)變量構(gòu)建最小維狀態(tài)空間”SOFC溫度梯度觀測(cè)器設(shè)計(jì)SOFC電堆觀測(cè)器—入口處燃料和空氣的流速、溫度輸入實(shí)際輸出輸出量的估計(jì)電堆出口處的燃料和空氣溫度電堆出口處的燃料和空氣溫度的估計(jì)值其他狀態(tài)量的估計(jì)電堆其他位置處的空氣和固體層溫度輸出觀測(cè)誤差反饋增益反饋增益的具體形式，由滑?？刂评碚撉蠼?.3.3基于數(shù)據(jù)和模型的SOFC系統(tǒng)性能評(píng)估SOFC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)另一SOFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)SOFC系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)SOFC系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理矩陣歸一化預(yù)處理加載矩陣P故障數(shù)據(jù)閾值向量

E正常數(shù)據(jù)閾值向量X’對(duì)比失控？閾值向量先進(jìn)診斷算法失控？故障警報(bào)故障檢測(cè)結(jié)果3.模型驗(yàn)證1.數(shù)據(jù)預(yù)處理2.模型訓(xùn)練否是否是SOFC系統(tǒng)電堆傳感器系統(tǒng)輸入量控制算法衰減建模特征提取推測(cè)方法控制器壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能故障分析系統(tǒng)故障代碼出錯(cuò)BOP

故障控制器故障電力故障操作出錯(cuò)線路故障運(yùn)轉(zhuǎn)出錯(cuò)運(yùn)轉(zhuǎn)出錯(cuò)重整故障氣體供應(yīng)故障燃燒器故障熱交換器故障電堆故障泄露過(guò)熱電壓變化熱交換器故障功率故障重整故障Wu,

X.

L

,

Xi

Li,

et

al;

Health

state

prediction

and

analysis

of

SOFC

system

based

on

the

data-driven

entire

stageexperiment.

Applied

Energy

2019;248:126-140.3.3.4動(dòng)靜態(tài)分析-性能衰退下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)優(yōu)化與漂移獲得不同負(fù)荷下系統(tǒng)最大效率的變量操作組合。Jianhua

Jiang,Xi

Li,

et

al;

Modeling

and

Model-based

Analysis

of

SOFC

Thermal-Electrical

Management

System

with

an

Air

Bypass

Valve.Electrochimica

Acta2015;

177(20):250-263.P(W)BPU(V)ARFU[1000,1575]0.20.8[6,7.5]0.9(1575,1875]0.20.86(0.881,0.9)(1875,2679]0.10.8[6,7.1]0.9(2679,2889]0.10.86(0.85,0.9)(2889,4358]0.10.756(0.825,0.9](4358,5000]00.76[0.838,0.881)100020003000400050006000000.20.1BP01000200030004000500060008610AR1000200030004000500060000.800.90.85FU0100020004000500060000.80.750.70.650.853000Pnet

[W]U

[V]Power\BP1000W1500W2000W2500W3000W3500W4000W4500W5000W10001500200040004500500030323436384042444648502500

3000

3500system

netPower

[W]System

Efficiency

[%]系統(tǒng)最優(yōu)操作點(diǎn)(AR,FU,V)及效率BP

關(guān)閉（0.0）

BP

開啟（0.1~0.3）操作點(diǎn)

效率[%]

操作點(diǎn)

效率[%](10.1,

0.900,

0.80)

43.33 (7.15,

0.900,

0.80)

46.09(10.0,

0.878,

0.80)

42.24 (6.15,

0.900,

0.80)

46.93(8.25,

0.900,

0.75)

41.44 (6.83,

0.900,

0.80)

46.30(7.58,

0.900,

0.75)

42.05 (6.13,

0.900,

0.80)

46.95(6.80,

0.900,

0.75)

42.74 (6.00,

0.893,

0.75)

43.06(6.30,

0.900,

0.75)

43.19 (6.00,

0.870,

0.75)

41.84(6.06,

0.900,

0.70)

39.84 (6.00,

0.830,

0.75)

39.80(6.00,

0.875,

0.70)

38.63 (6.00,

0.805,

0.75)

38.34(6.00,

0.848,

0.70)

37.41 (6.00,

0.803,

0.70)

35.01BP=OFFBP=ON動(dòng)靜態(tài)分析-避免燃料虧空的功率動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)載功率上升電堆內(nèi)燃料迅速反應(yīng)，時(shí)間為ms級(jí)燃料通過(guò)管道延時(shí)輸送至電堆，時(shí)間為s級(jí)Compete燃料虧空解決辦法：功率緩慢上升調(diào)節(jié)形式：電流緩速調(diào)節(jié)特定切換軌跡情況下：功率上升切換時(shí)分兩部分進(jìn)行切換。

Ma

in

t

ena

nce

stag

e

P0

S

witc

h

st

age

net

OOPs(U

0

,

BP0

,

AR0

,

FU

0

)sPimd(U

imd

,

BPimd

,

ARimd

,

FUimd

)net

OOPsPdes(U

des

,

BPdes

,

ARdes

,

FU

des

)net

OOP3.3.5保持切換階段軌跡參數(shù)優(yōu)化-帶約束模型預(yù)測(cè)控制SOFC系統(tǒng)按不同的切換軌跡進(jìn)行切換,轉(zhuǎn)換為帶約束控制。

,

[0,

0.05kW

]desnetneterror

max

P

(t)

PMaximum

power

fluctuationTB

1273K

,873K

Max.TPEN

1173K

,

200K.netmin

(Pnet

Pdes

)2stacks.t.N

fuel

_

out0,PENMax.

T

8Kcm

1,

TinletLin

Zhang,

Xi

Li,

et

al;

Control

strategyfor

power

management,

efficiency-optimization

andoperating-safety

of

a

5-kW

solid

oxide

fuel

cellsystem.Electrochimica

Acta2015;

177(20):237-249.

Huan

Cheng,

Xi

Li,

et

al;

Control-Oriented

Modeling

Analysis

and

Optimization

of

Planar

Solid

Oxide

Fuel

Cell

System.

InternationalJournal

of

Hydrogen

Energy,2016,

41(47):22285-22304.基于TS-CGPC（模糊模型-廣義預(yù)測(cè)控制）的溫度約束前饋及功率跟蹤反饋控制；實(shí)現(xiàn)SOFC系統(tǒng)溫度約束安全下的快速負(fù)載跟蹤與高效率輸出。SOFC系統(tǒng)控制——熱電協(xié)同控制0

200040001000012000140001600020006000

8000Time

(s)2500300035004000450050005500Power

(W)setpoint

System

power80008002800480065000502050400500010000

15000Time

(s)10001050Max.

PEN

Temp

(K)0500010000Time

(s)150000Max.

PEN

Temp

5upperlimit1200

201150

151100

10Max.

PEN

Temp

grad

(K/cm)Max.

PEN

Temp

gradupperlimit0500010000Time

(s)15000050100150200Inlet

gas

Temp

Diff

(K)Inlet

gas

Temp

Diffupperlimit0500010000

15000Time

(s)100011001200130