2022固体氧化物燃料电池SOFC系统性能评估与健康管控

固体氧化物燃料电池（SOFC）系统性能评估与健康管控固体氧化物燃料电池（SOFC）系统性能评估与健康管控纲 1234SOFC系统现状华中科技大学SOFC系统纲 1234SOFC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1.1SOFC系统-特点 燃料电池种类吃粗粮阳极阴极脱硫蒸汽重整反应650—700水气转移反应200—400＜0.5%COCO选择性氧化反应CO＜10ppm移除COCOH,COH,COCH,CH,CHOH...COSOFC600—1000（内重整）HOOMCFCCO600—800（内重整）HOCO220 HOPEMFC60—100AFCHO 70OH-OO，COOOO,移除氢气蒸发PureH100%HH1.1SOFC系统-特点 燃料电池种类吃粗粮阳极阴极脱硫蒸汽重整反应650—700水气转移反应200—400＜0.5%COCO选择性氧化反应CO＜10ppm移除COCOH,COH,COCH,CH,CHOH...COSOFC600—1000（内重整）HOOMCFCCO600—800（内重整）HOCO220 HOPEMFC60—100AFCHO 70OH-OO，COOOO,移除氢气蒸发PureH100%HH,CO甲醇天然气汽油燃料电池：化学能——电能；储能电池：电能——电能；SOFC1.2SOFC系统-原理示图 冷凝器回收泵CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-分离器CH4+H2O蒸发器重整器尾气燃烧室换热器3换热器1换热器2鼓风机Tb<1000MaxT<900MaxT<10/CM700<T重整器<9001.2SOFC系统-原理示图 冷凝器回收泵CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-分离器CH4+H2O蒸发器重整器尾气燃烧室换热器3换热器1换热器2鼓风机Tb<1000MaxT<900MaxT<10/CM700<T重整器<9001.3SOFC系统-示范（-海-空） 百瓦级到兆瓦1.3SOFC系统-示范（-海-空） 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。1.4SOFC系统-国内现状 煤基燃料的1~15kWSOFC系统示范（晋煤集团///1.4SOFC系统-国内现状 煤基燃料的1~15kWSOFC系统示范（晋煤集团///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）1~5kWSOFC示范系统（华科大、福赛）1.5SOFC系统-目标任务 关键技术共性问题：1.性能退化机理2.性能评估与诊断1.5SOFC系统-目标任务 关键技术共性问题：1.性能退化机理2.性能评估与诊断3.健康管控燃料电池全球市场部署要点：高降低！1.6SOFC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HyGearB.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！1.6SOFC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HyGearB.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HtceramixSA,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 1234SOFC系统华中科技大学SOFC系统SOFC系统级性能评估与健康管控提纲 1234SOFC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2.1FromPowder（粉末Power（电力）inHUST/HKFC团队教授5人、副教授4人，博后/工程师/研究生50人。PowersystemBOPStack（balanceofplant,BOP）冷空气预热再经过阴阳极平衡换热器CellCathodeElectrolyteAnodeFunctionAnodeSupportPowder重整器进过阴阳极平衡换热器换热后气体2.1FromPowder（粉末Power（电力）inHUST/HKFC团队教授5人、副教授4人，博后/工程师/研究生50人。PowersystemBOPStack（balanceofplant,BOP）冷空气预热再经过阴阳极平衡换热器CellCathodeElectrolyteAnodeFunctionAnodeSupportPowder重整器进过阴阳极平衡换热器换热后气体阴/阳/电解质材料燃烧器单电池辅助设备电 堆发电系统性能评估与管控系统2.2转化成果 kW级SOFC系统逾千小时稳定运行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%。2.3300W~5kW级全工况SOFC系统测试 工作参数的波动、变化电化学反应剧烈程•••效率高放出发电电流度变化热量变化SOFC系统工艺设计;电堆入口•••运行不稳定效率低2.3300W~5kW级全工况SOFC系统测试 工作参数的波动、变化电化学反应剧烈程•••效率高放出发电电流度变化热量变化SOFC系统工艺设计;电堆入口•••运行不稳定效率低SOFC理;流量、温度SOFC系统功率跟踪;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。SOFC系统效率优化。电堆电特性曲线变化温度变化功率波动提纲 1234SOFC系统华中科技大学SOFC系统SOFC系统级性能评估与健康管控提纲 1234SOFC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3.1SOFC系统结构示意图 3.1SOFC系统结构示意图 3.2SOFC系统主要故障 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系统控制单元发生故障系统传感采集等过程变量标定失真系统（含BOP部件）故障系统级SOFC电堆运行性能衰减3.2SOFC系统主要故障 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系统控制单元发生故障系统传感采集等过程变量标定失真系统（含BOP部件）故障系统级SOFC电堆运行性能衰减3.3系统性能需求 目标：高效、长寿命SOFC系统集成与控制方法实现。外部负载需求功率变化SOFC系统的长寿命与高效率关键问题一：防止燃料亏空影响电堆入口氢气含关键问题二：温度约束管控SOFC系电堆温度影响电化学反应强度通过空气流量与BP阀门管控关键问题三：系统效率优化关键问题四：快速负载跟踪电化学反应速率决定系统输出功率快速负载跟踪最优系统效率温度特性响应电特性响应电电堆温度电系统的温度变化燃料供给延迟电堆电化学反应速率变化缓慢大的热惯性导致负载跟踪缓慢系统的输出功率快速风机寄生功率系统空气流量BOP系统温度燃料导致燃料不能及时满足功率需求来自燃料供给、温度变化、寄生负载波动的影响不足亏空量燃烧室温度电堆温度梯度系统发电效率热管理温度约束燃料供给问题系统输出功率变化引起电堆输出电流变化时间为毫秒级3.3系统性能需求 目标：高效、长寿命SOFC系统集成与控制方法实现。外部负载需求功率变化SOFC系统的长寿命与高效率关键问题一：防止燃料亏空影响电堆入口氢气含关键问题二：温度约束管控SOFC系电堆温度影响电化学反应强度通过空气流量与BP阀门管控关键问题三：系统效率优化关键问题四：快速负载跟踪电化学反应速率决定系统输出功率快速负载跟踪最优系统效率温度特性响应电特性响应电电堆温度电系统的温度变化燃料供给延迟电堆电化学反应速率变化缓慢大的热惯性导致负载跟踪缓慢系统的输出功率快速风机寄生功率系统空气流量BOP系统温度燃料导致燃料不能及时满足功率需求来自燃料供给、温度变化、寄生负载波动的影响不足亏空量燃烧室温度电堆温度梯度系统发电效率热管理温度约束燃料供给问题系统输出功率变化引起电堆输出电流变化时间为毫秒级3.3.1SOFC系统多模态模型建立（机理与数据驱动） 模型开发SOFC系统监测模型3.3.1SOFC系统多模态模型建立（机理与数据驱动） 模型开发SOFC系统监测模型3.3.2SOFC温度梯度分布观测器 输入—SOFC反馈增益的具体形式，由滑模控制理论求解电堆其他位置处的空气和固体层温度反馈增益观测器输出量的估计其他状态量的估计电堆出口处的燃料和空气温度的估计值输出观测误差SOFC电堆实际输出入口处燃料和空气的流速、温度电堆出口处的燃料和空气温度3.3.2SOFC温度梯度分布观测器 输入—SOFC反馈增益的具体形式，由滑模控制理论求解电堆其他位置处的空气和固体层温度反馈增益观测器输出量的估计其他状态量的估计电堆出口处的燃料和空气温度的估计值输出观测误差SOFC电堆实际输出入口处燃料和空气的流速、温度电堆出口处的燃料和空气温度3.3.3基于数据和模型的SOFC系统性能评估 否失控故障检测是另一SOFC系统数据结果？矩阵归一化是向量XSOFC实验系统数据失控？对比E否3.模型验证2.模型训练1.数据预处理衰减建模推测方法控制算法特征提取寿命预测控制器系统输入量电堆SOFC系统传感器SOFC系统故障数据SOFC系统正常数据加载矩阵P预处理故障警报阈值向量数据预处理先进诊断算法3.3.3基于数据和模型的SOFC系统性能评估 否失控故障检测是另一SOFC系统数据结果？矩阵归一化是向量XSOFC实验系统数据失控？对比E否3.模型验证2.模型训练1.数据预处理衰减建模推测方法控制算法特征提取寿命预测控制器系统输入量电堆SOFC系统传感器SOFC系统故障数据SOFC系统正常数据加载矩阵P预处理故障警报阈值向量数据预处理先进诊断算法系统性能故障分析 代码出错操作出错电力故障线路故障故障燃烧器故障热交换器故障气体供应故障电压变化故障重整故障热交换器故障X.L,XiLi,etal;HealthstatepredictionandanalysisofSOFCsystembasedonthedata-drivenentirestageexperiment.AppliedEnergy2019;248:126-140.过热泄露运转出错运转出错控制器故障BOP故障电堆故障系统故障系统性能故障分析 代码出错操作出错电力故障线路故障故障燃烧器故障热交换器故障气体供应故障电压变化故障重整故障热交换器故障X.L,XiLi,etal;HealthstatepredictionandanalysisofSOFCsystembasedonthedata-drivenentirestageexperiment.AppliedEnergy2019;248:126-140.过热泄露运转出错运转出错控制器故障BOP故障电堆故障系统故障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 系统最优操作点(ARFUV)及效率BP关闭（0.0）BP开启（0.1~0.3）Power\BP效率[%]效率[%]操作点操作点1000W(10.1,0.900,0.80)43.33(7.15,0.900,0.80)46.091500W(10.0,0.878,0.80)42.24(6.15,0.900,0.80)46.932000W(8.25,0.900,0.75)41.44(6.83,0.900,0.80)46.302500W(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)43.063000W3500W(6.30,0.900,0.75)43.19(6.00,0.870,0.75)41.844000W(6.06,0.900,0.70)39.84(6.00,0.830,0.75)39.804500W(6.00,0.875,0.70)38.63(6.00,0.805,0.75)38.345000W(6.00,0.848,0.70)37.41(6.00,0.803,0.70)35.010.20.150BP=OFFBP=ON004846864442040380.80360.8534323003000Pnet[W]100015002000250030003500400045005000systemnetPower[W]获得不同负荷下系统最大效率的变量操作组合。JianhuaJiang,XiLi,etal;ModelingandModel-basedAnalysisofSOFCThermal-ElectricalManagementSystemwithanAirBypassElectrochimicaActa2015;177(20):250-263.U[V]FUBPARSystemEfficiency[%]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)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 系统最优操作点(ARFUV)及效率BP关闭（0.0）BP开启（0.1~0.3）Power\BP效率[%]效率[%]操作点操作点1000W(10.1,0.900,0.80)43.33(7.15,0.900,0.80)46.091500W(10.0,0.878,0.80)42.24(6.15,0.900,0.80)46.932000W(8.25,0.900,0.75)41.44(6.83,0.900,0.80)46.302500W(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)43.063000W3500W(6.30,0.900,0.75)43.19(6.00,0.870,0.75)41.844000W(6.06,0.900,0.70)39.84(6.00,0.830,0.75)39.804500W(6.00,0.875,0.70)38.63(6.00,0.805,0.75)38.345000W(6.00,0.848,0.70)37.41(6.00,0.803,0.70)35.010.20.150BP=OFFBP=ON004846864442040380.80360.8534323003000Pnet[W]100015002000250030003500400045005000systemnetPower[W]获得不同负荷下系统最大效率的变量操作组合。JianhuaJiang,XiLi,etal;ModelingandModel-basedAnalysisofSOFCThermal-ElectricalManagementSystemwithanAirBypassElectrochimicaActa2015;177(20):250-263.U[V]FUBPARSystemEfficiency[%]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)分析-避免燃料亏空的功率动态跟踪 电堆内燃料迅速反应，时间为ms级燃料亏空Compete负载功率上升燃料通过管道延时输送至电堆，时间为s级解决办法：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。P0 withs分析-避免燃料亏空的功率动态跟踪 电堆内燃料迅速反应，时间为ms级燃料亏空Compete负载功率上升燃料通过管道延时输送至电堆，时间为s级解决办法：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。P0 withsgeaitnstePimdPdesnetOOPnetOOPnetOOP0,BP0,AR0,FU0imd,BPimd,ARimd,FUimd)des,BPdes,ARdes,FUdes)sss3.3.5保持切换阶段轨迹参数优-带约束模型测控制 SOFC系统按不同的切换轨迹进行切换,转换为带约束控制。error P0.05kW](t)3.3.5保持切换阶段轨迹参数优-带约束模型测控制 SOFC系统按不同的切换轨迹进行切换,转换为带约束控制。error P0.05kW](t)Maximum powerfluctuationnetnetmin(PPdes)2netnets.t.fuel_outNstack1273K,Max.TPEN873K1173K,200K.LinZhang,XiLi,etal;Controlstrategyforpowermanagement,efficiency-optimizationandoperating-safetyofa5-kWsolidoxidefuelcellsystem.ElectrochimicaActa2015;177(20):237-249. HuanCheng,XiLi,etal;Control-OrientedModelingAnalysisandOptimizationofPlanarSolidOxideFuelCellSystem.InternationalJournalofHydrogen41(47):22285-22304.系统控制——热电协同控制 55001200500011504500400011005040350050201050530005000800080028004800610000250005000Time(s)05000Time(s)20000 4000Time(s)1300系统的快速负载跟踪过程12007065110060550100005000Time(s)05000Time(s)5045系统效率>4240353020004000Time(s)1400016000HongliangCao,XiLi,ThermalmanagementorientedmultivariablerobustcontrolofakWscalesolidoxidefuelcellstand-alonesystem.IEEETransactionsonEnergyConversion,2016;31(2):596-605.JinhuaJiang,XiLi,etal;HighEfficiencyThermoelectricCooperativeControlofaStand-aloneSolidOxideFuelCellSystemwithanAirBypass2018,152:13-26.Power(W)Systemefficiency(%)Max.PENTemp(K)InletgasTempDiff(K)BurnerTemp(K)Max.PENTempgrad(K/cm)SystemefficiencyPENPEN 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