SOFC系统性能评估与健康管控

提纲

1

SOFC系统现状华中科技大学SOFC系统SOFC系统级性能评估与健康管控成果转化与展望1.1

SOFC系统-特点燃料电池：化学能——电能；储能电池：电能——电能；SOFC特点：效率高、燃料广、高能比、低排放。吃粗粮CO2H2OCO2H2OH2OH2O阳极阴极MCFC600—800?（内重整）CO32-PAFC160—220?PEMFC60—100?AFC70?H2OSOFC600—1000?（内重整）O2-H+H+OH-燃料电池种类汽油天然气甲醇氢气蒸发脱硫CH4,C2H5,CH3OH...H2,COH2,CO2H2,CO2Pure

H2蒸汽重整反应650—700?水气转移反应200—400?CO选择性氧化反应移除CO2CO＜0.5%CO＜10ppm100%H2O2O2

，

CO2O2O2O2,移除CO21.2

SOFC系统-原理示意图H2+O2-

➺CO+O2-

➺H2O+2e-CO2+2e-换热器1换热器2重整器蒸发器尾气燃烧室CH4+H2O分离器冷凝器回收泵CH4+H2O

➺

CO+3H2CO+H2O

➺

CO2+H2换热器3鼓风机Tb

<

1000?MaxT

<

900?Max

ΔT

<

10?/CM700?<T重整器<900?百瓦级到兆瓦级SOFC系统应用：热电联供、分布式电站、移动载体动力电源等。1.3SOFC系统-示范（陆-海-空）1.4

SOFC系统-国内现状煤基燃料的1~15kW

SOFC系统示范（晋煤集团/华清京昆

/清华

/矿大）1~25kW级SOFC示范系统（宁波所、索福人）kW级SOFC系统（三环、CFCL）

1~5kW级SOFC系统（上海硅所）1~5kW级SOFC示范系统（华科大、福赛）1.5

SOFC系统-目标任务关键技术共性问题：性能退化机理性能评估与诊断健康管控燃料电池全球市场部署要点：可靠性、耐久性、实用性高生产、运行、维护费用降低1.6

SOFC系统-欧盟（评估与控制）欧盟‘DIAMOND’项目-SOFC系统诊断与控制！！！机构主要任务HyGear

B.V.,荷兰热电联供系统集成和测试CEA，法国诊断工具、电池片和电堆测试开发VTT，芬兰电堆和系统测试Salerno，意大利建模、诊断、控制和数据分析Htceramix

SA,瑞士热箱集成，电池片和电堆供应INEA，斯洛文尼亚控制策略集成和实施JOZEFSTEFAN，斯洛文尼亚先进控制设计

提纲

1

SOFC系统华中科技大学SOFC系统SOFC系统级性能评估与健康管控成果转化与展望2.1

From

Powder

（粉末）To

Power（电力）in

HUST/HKFCPowderCellStackBOPPower

systemCathodeElectrolyteAnode

FunctionAnode

Support单电池电

堆发电系统燃烧器换热后气体重整器进过阴阳极平衡换热器（balance

of

plant,BOP

）冷空气预热再经过阴阳极平衡换热器辅助设备阴/阳/电解质材料性能评估与管控系统团队教授5人、副教授4人，博后/工程师/研究生50人。2.2转化成果kW级SOFC系统逾千小时稳定运行燃料：普通甲烷；SOFC系统功率：kW级输出；电堆效率:54.09%；系统效率:49.7%。效率高寿命长衰减小运行不稳定寿命短效率低工作参数的波动、变化功率波动温度变化电流电化学反应剧烈程度变化放出发电热量变化

变化SOFC系统工艺设计;电堆入口SOFC系统反热应管物理;流量、温度SOFC系统功率跟踪;SOFC系统效率优化。电堆电特性V-I曲线变化2.3

300W~5kW级全工况SOFC系统测试不同温度/燃料利用率SOFC性能；电堆/系统效率；动静态响应特性；热电气耦合与自维持特性。

提纲

SOFC系统华中科技大学SOFC系统SOFC系统级性能评估与健康管控成果转化与展望3.1

SOFC系统结构示意图系统级SOFC电堆运行性能衰减3.2

SOFC系统主要故障系统（含BOP部件）故障系统传感采集等过程变量标定失真系统控制单元发生故障电堆工作温度与梯度过大系统热交换器故障、重整器积碳、去离子水供应故障热电偶/压力计等标定错误风机、流量计、功率变换与控制器等故障3.3系统性能需求快速负载跟踪最优系统效率系统输出功率变化电堆电化学反应速率变化燃料供给延迟系统的温度变化电堆温度BOP系统温度燃料不能及时满足功率需求燃料不足导致亏空系统空气流量风机寄生功率外部负载需求功率变化热管理温度约束燃料供给问题系统发电效率关键问题一：防止燃料亏空关键问题二：温度约束管控来自燃料供给、温度变化、寄生负载波动的影响引起电堆输出电流变化时间为毫秒级电堆温度影响

通过空气电化学

流量与BP反应强

阀门管控度影响电堆入口氢气含量燃烧室温度电堆入口气体温差电堆最大工作温度电堆温度梯度关键问题三：系统效率优化关键问题四：快速负载跟踪系统的输出功率电特性响应快速温度特性响应缓慢大的热惯性导致负载跟踪缓慢电化学反应速率决定系统输出功率SOFC系统的长寿命与高效率SOFC系统评估与管控目标：高效、长寿命SOFC系统集成与控制方法实现。3.3.1

SOFC系统多模态模型建立（机理与数据驱动）SOFC系统模型开发监测模型3.3.2SOFC温度梯度分布观测器最小化可观、易测状态变量组合优化“全可测变量构建最小维状态空间”SOFC温度梯度观测器设计SOFC电堆观测器—入口处燃料和空气的流速、温度输入实际输出输出量的估计电堆出口处的燃料和空气温度电堆出口处的燃料和空气温度的估计值其他状态量的估计电堆其他位置处的空气和固体层温度输出观测误差反馈增益反馈增益的具体形式，由滑模控制理论求解3.3.3基于数据和模型的SOFC系统性能评估SOFC实验系统数据另一SOFC系统数据SOFC系统故障数据SOFC系统正常数据数据预处理矩阵归一化预处理加载矩阵P故障数据阈值向量

E正常数据阈值向量X’对比失控？阈值向量先进诊断算法失控？故障警报故障检测结果3.模型验证1.数据预处理2.模型训练否是否是SOFC系统电堆传感器系统输入量控制算法衰减建模特征提取推测方法控制器寿命预测系统性能故障分析系统故障代码出错BOP

故障控制器故障电力故障操作出错线路故障运转出错运转出错重整故障气体供应故障燃烧器故障热交换器故障电堆故障泄露过热电压变化热交换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动静态分析-性能衰退下系统稳态操作点优化与漂移获得不同负荷下系统最大效率的变量操作组合。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

[%]系统最优操作点(AR,FU,V)及效率BP

关闭（0.0）

BP

开启（0.1~0.3）操作点

效率[%]

操作点

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动静态分析-避免燃料亏空的功率动态跟踪负载功率上升电堆内燃料迅速反应，时间为ms级燃料通过管道延时输送至电堆，时间为s级Compete燃料亏空解决办法：功率缓慢上升调节形式：电流缓速调节特定切换轨迹情况下：功率上升切换时分两部分进行切换。

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保持切换阶段轨迹参数优化-带约束模型预测控制SOFC系统按不同的切换轨迹进行切换,转换为带约束控制。

,

[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-广义预测控制）的温度约束前馈及功率跟踪反馈控制；实现SOFC系统温度约束安全下的快速负载跟踪与高效率输出。SOFC系统控制——热电协同控制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