
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

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文檔簡介
提綱
1
SOFC系統(tǒng)現狀華中科技大學SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級性能評估與健康管控成果轉化與展望1.1
SOFC系統(tǒng)-特點燃料電池:化學能——電能;儲能電池:電能——電能;SOFC特點:效率高、燃料廣、高能比、低排放。吃粗糧CO2H2OCO2H2OH2OH2O陽極陰極MCFC600—800?(內重整)CO32-PAFC160—220?PEMFC60—100?AFC70?H2OSOFC600—1000?(內重整)O2-H+H+OH-燃料電池種類汽油天然氣甲醇氫氣蒸發(fā)脫硫CH4,C2H5,CH3OH...H2,COH2,CO2H2,CO2Pure
H2蒸汽重整反應650—700?水氣轉移反應200—400?CO選擇性氧化反應移除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鼓風機Tb
<
1000?MaxT
<
900?Max
ΔT
<
10?/CM700?<T重整器<900?百瓦級到兆瓦級SOFC系統(tǒng)應用:熱電聯供、分布式電站、移動載體動力電源等。1.3SOFC系統(tǒng)-示范(陸-海-空)1.4
SOFC系統(tǒng)-國內現狀煤基燃料的1~15kW
SOFC系統(tǒng)示范(晉煤集團/華清京昆
/清華
/礦大)1~25kW級SOFC示范系統(tǒng)(寧波所、索福人)kW級SOFC系統(tǒng)(三環(huán)、CFCL)
1~5kW級SOFC系統(tǒng)(上海硅所)1~5kW級SOFC示范系統(tǒng)(華科大、福賽)1.5
SOFC系統(tǒng)-目標任務關鍵技術共性問題:性能退化機理性能評估與診斷健康管控燃料電池全球市場部署要點:可靠性、耐久性、實用性高生產、運行、維護費用降低1.6
SOFC系統(tǒng)-歐盟(評估與控制)歐盟‘DIAMOND’項目-SOFC系統(tǒng)診斷與控制?。?!機構主要任務HyGear
B.V.,荷蘭熱電聯供系統(tǒng)集成和測試CEA,法國診斷工具、電池片和電堆測試開發(fā)VTT,芬蘭電堆和系統(tǒng)測試Salerno,意大利建模、診斷、控制和數據分析Htceramix
SA,瑞士熱箱集成,電池片和電堆供應INEA,斯洛文尼亞控制策略集成和實施JOZEFSTEFAN,斯洛文尼亞先進控制設計
提綱
1
SOFC系統(tǒng)華中科技大學SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級性能評估與健康管控成果轉化與展望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過陰陽極平衡換熱器(balance
of
plant,BOP
)冷空氣預熱再經過陰陽極平衡換熱器輔助設備陰/陽/電解質材料性能評估與管控系統(tǒng)團隊教授5人、副教授4人,博后/工程師/研究生50人。2.2轉化成果kW級SOFC系統(tǒng)逾千小時穩(wěn)定運行燃料:普通甲烷;SOFC系統(tǒng)功率:kW級輸出;電堆效率:54.09%;系統(tǒng)效率:49.7%。效率高壽命長衰減小運行不穩(wěn)定壽命短效率低工作參數的波動、變化功率波動溫度變化電流電化學反應劇烈程度變化放出發(fā)電熱量變化
變化SOFC系統(tǒng)工藝設計;電堆入口SOFC系統(tǒng)反熱應管物理;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級全工況SOFC系統(tǒng)測試不同溫度/燃料利用率SOFC性能;電堆/系統(tǒng)效率;動靜態(tài)響應特性;熱電氣耦合與自維持特性。
提綱
SOFC系統(tǒng)華中科技大學SOFC系統(tǒng)SOFC系統(tǒng)級性能評估與健康管控成果轉化與展望3.1
SOFC系統(tǒng)結構示意圖系統(tǒng)級SOFC電堆運行性能衰減3.2
SOFC系統(tǒng)主要故障系統(tǒng)(含BOP部件)故障系統(tǒng)傳感采集等過程變量標定失真系統(tǒng)控制單元發(fā)生故障電堆工作溫度與梯度過大系統(tǒng)熱交換器故障、重整器積碳、去離子水供應故障熱電偶/壓力計等標定錯誤風機、流量計、功率變換與控制器等故障3.3系統(tǒng)性能需求快速負載跟蹤最優(yōu)系統(tǒng)效率系統(tǒng)輸出功率變化電堆電化學反應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)溫度燃料不能及時滿足功率需求燃料不足導致虧空系統(tǒng)空氣流量風機寄生功率外部負載需求功率變化熱管理溫度約束燃料供給問題系統(tǒng)發(fā)電效率關鍵問題一:防止燃料虧空關鍵問題二:溫度約束管控來自燃料供給、溫度變化、寄生負載波動的影響引起電堆輸出電流變化時間為毫秒級電堆溫度影響
通過空氣電化學
流量與BP反應強
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鍵問題三:系統(tǒng)效率優(yōu)化關鍵問題四:快速負載跟蹤系統(tǒng)的輸出功率電特性響應快速溫度特性響應緩慢大的熱慣性導致負載跟蹤緩慢電化學反應速率決定系統(tǒng)輸出功率SOFC系統(tǒng)的長壽命與高效率SOFC系統(tǒng)評估與管控目標:高效、長壽命SOFC系統(tǒng)集成與控制方法實現。3.3.1
SOFC系統(tǒng)多模態(tài)模型建立(機理與數據驅動)SOFC系統(tǒng)模型開發(fā)監(jiān)測模型3.3.2SOFC溫度梯度分布觀測器最小化可觀、易測狀態(tài)變量組合優(yōu)化“全可測變量構建最小維狀態(tài)空間”SOFC溫度梯度觀測器設計SOFC電堆觀測器—入口處燃料和空氣的流速、溫度輸入實際輸出輸出量的估計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值其他狀態(tài)量的估計電堆其他位置處的空氣和固體層溫度輸出觀測誤差反饋增益反饋增益的具體形式,由滑??刂评碚撉蠼?.3.3基于數據和模型的SOFC系統(tǒng)性能評估SOFC實驗系統(tǒng)數據另一SOFC系統(tǒng)數據SOFC系統(tǒng)故障數據SOFC系統(tǒng)正常數據數據預處理矩陣歸一化預處理加載矩陣P故障數據閾值向量
E正常數據閾值向量X’對比失控?閾值向量先進診斷算法失控?故障警報故障檢測結果3.模型驗證1.數據預處理2.模型訓練否是否是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方法控制器壽命預測系統(tǒng)性能故障分析系統(tǒng)故障代碼出錯BOP
故障控制器故障電力故障操作出錯線路故障運轉出錯運轉出錯重整故障氣體供應故障燃燒器故障熱交換器故障電堆故障泄露過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動靜態(tài)分析-性能衰退下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)操作點優(yōu)化與漂移獲得不同負荷下系統(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(AR,FU,V)及效率BP
關閉(0.0)
BP
開啟(0.1~0.3)操作點
效率[%]
操作點
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動靜態(tài)分析-避免燃料虧空的功率動態(tài)跟蹤負載功率上升電堆內燃料迅速反應,時間為ms級燃料通過管道延時輸送至電堆,時間為s級Compete燃料虧空解決辦法:功率緩慢上升調節(jié)形式:電流緩速調節(jié)特定切換軌跡情況下:功率上升切換時分兩部分進行切換。
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優(yōu)化-帶約束模型預測控制SOFC系統(tǒng)按不同的切換軌跡進行切換,轉換為帶約束控制。
,
[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-廣義預測控制)的溫度約束前饋及功率跟蹤反饋控制;實現SOFC系統(tǒng)溫度約束安全下的快速負載跟蹤與高效率輸出。SOFC系統(tǒng)控制——熱電協同控制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
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