【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及固體氧化物燃料電池，具體涉及一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法。
技術介紹
1、固體氧化物燃料電池(solid?oxide?fuel?cell，sofc)是將燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，sofc作為大規模分布式清潔發電站的優選對象，在未來能源變革中占有重要地位。sofc發電系統的核心部件是電堆，外圍輔助部件包括重整器、換熱器、蒸發器、混合器、脫硫罐等，這些外圍輔助部件的作用是保障電堆發電穩定，實現熱量梯級高效回收利用。sofc發電系統在長時高溫工況下，一方面電堆電化學性能會逐步退化，面臨著電解質元素擴散、陰極cr中毒、陽極積碳、s毒化等復雜的衰減因素，輸出功率會逐漸減低；另一方面，外圍輔助部件在高溫下也會發生損傷、性能退化，如重整器積碳、換熱器效率降低等，也會加速電堆的衰減。采用可靠的方法預測sofc發電系統的剩余使用壽命對有效評估其健康狀態至關重要，將有助于將計劃維護轉向預測性維護，有效減少維護成本和避免因重大設備故障帶來的災難性后果，是制定sofc維護策略的重要依據。
2、目前對剩余壽命預測方法的研究主要有基于模型、數據驅動和二者混合的方法。基于模型的方法是通過分析燃料電池內部機理并建立相應的模型來描述退化現象，一般包括參數識別、電化學阻抗譜和極化曲線等；基于數據的方法是指使用數據挖掘或統計學的方法，不考慮燃料電池的內部退化機理而是通過數據分析，對電池進行剩余使用壽命預測；混合方法是前兩種類型的結合，這種方法以物理方程為基礎，通過學習大量數據總結規律來估計參數隨時間的變化，
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種千瓦級固體氧化物燃料電池電堆剩余壽命在線預測方法。
2、本專利技術采用的技術方案為：
3、本專利技術提供一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，適用于以甲烷作為燃料，包括步驟：
4、(1)分析固體氧化物燃料電池發電系統的運行過程，確定衡量其發電穩定性的健康因子，健康因子包括輸出電壓和/或輸出功率及重整轉化率；
5、(2)獲取固體氧化物燃料電池發電系統從初始運行至當前時刻的已服役階段的輸出電流、輸出電壓、輸出功率數據，并繪制輸出電壓或輸出功率衰減曲線，同時對重整器的進口氣體和出口氣體進行采集，計算重整轉化率，將所獲取的輸出電壓、輸出功率、重整轉化率作為歷史運行數據；
6、(3)利用步驟(2)獲取的輸出電壓或輸出功率數據每隔△t小時計算一次衰減率，得到不同運行時間點的輸出電壓或輸出功率的衰減率作為系統整體性能衰減率，并根據所計算的輸出電壓或輸出功率衰減率對電堆衰減趨勢進行分析，確定衰減趨勢變化節點并按節點將輸出電壓或輸出功率衰減曲線分階段劃分，將衰減率η＞2％/kh作為第一階段，將衰減率0.5＜η≤2％/kh作為第二階段，將衰減率η≤0.5％/kh作為第三階段；
7、(4)根據步驟(2)獲取的重整轉化率數據繪制重整轉化率隨時間變化曲線，基于該重整轉化率曲線，建立關于重整催化劑活性衰減率的重整反應器性能衰減模型；
8、(5)分別定義系統整體性能衰減率以及重整催化劑活性衰減率的失效閾值作為壽命終止值；
9、(6)判斷電堆已服役階段的輸出電壓或輸出功率衰減曲線是否包含第一和第二和/或第三階段，如果電堆已服役階段的輸出電壓或輸出功率衰減曲線包含了第一、二、三階段，則以第三階段的衰減率計算達到失效閾值時的系統整體性能剩余壽命作為剩余壽命；如果電堆已服役階段的輸出電壓或輸出功率衰減曲線包括第一、二階段但不包括第三階段，則以第一、二階段兩個不同時刻的衰減率結合燃料利用率計算達到失效閾值時的系統整體性能剩余壽命，并計算達到重整催化劑活性衰減率的失效閾值時的重整反應器壽命，以系統整體性能壽命與重整反應器壽命的最小值作為剩余壽命。
10、進一步地，所述步驟(2)中重整轉化率ξ由反應消耗的甲烷的摩爾流量和初始反應物中甲烷的摩爾流量計算得到：
11、
12、其中，ξn表示第n時刻重整器的重整轉化率；lin,n表示重整器入口的甲烷的摩爾流量(mol/s)；lout,n表示重整器出口的甲烷的摩爾流量(mol/s)。
13、進一步地，所述步驟(3)中系統整體性能衰減率的計算公式為：
14、
15、其中，ηn為第n時刻的每一千小時的系統整體性能衰減率，n為序號，表示第n時刻，p0為系統開始穩定運行的輸出功率，pn表示在n時刻的輸出功率，pn-△t表示在n-△t時刻的輸出功率，△t為間隔時間。
16、進一步地，所述步驟(4)中重整反應器性能衰減模型為：
17、
18、其中，α為重整催化劑活性衰減率，以重整轉化率的下降速率表示
19、
20、其中，ξn為第n時刻重整器的重整轉化率，ξn-△t為第n-△t時刻重整器的重整轉化率，δ為重整轉化率的下降速率；φ為系統燃料利用率，由系統運行前期用戶設定值，w為與重整反應器工作溫度相關的參數；c為重整反應參數；t表示服役的時間。
21、進一步地，所述步驟(5)中設置系統整體性能衰減率的失效閾值為10％～40％，重整催化劑活性衰減率的失效閾值為0.4～0.6倍的系統整體性能衰減率的失效閾值。
22、進一步地，所述步驟(6)中當待預測電堆的已服役階段的輸出功率衰減曲線包含了第一、二、三階段時，以第三階段的衰減率預測輸出功率達到系統整體性能衰減率的失效閾值時的剩余壽命，計算公式為：
23、
24、其中，trul為從當前時刻到達到系統整體性能衰減率的失效閾值時服役的時間，即剩余壽命，kh；p0為達到正常工作電壓時刻的輸出功率，ps為電堆當前的輸出功率，pm為達到系統整體性能衰減率的失效閾值時的輸出功率，pm＝(1-m)p0，m為系統整體性能衰減率的失效閾值，a為第三階段的衰減率，取0.5％/kh。
25、進一步地，所述步驟(6)中如果待預測電堆的已服役階段的輸出功率衰減曲線包括第一、二階段但不包括第三階段，則以系統整體性能剩余壽命與重整反應器剩余壽命的最小值作為剩余壽命，即：
26、trul＝{t整體，t重整}min(6)
27、t整體根據公式(7)計算得到：
28、
29、t重整根據公式(8)計算得到：
30、
31、其中，t整體為系統整體性能衰減預測得到的剩余壽命，t重整為重整反應器的剩余壽命；p0為達到正常工作電壓時刻的輸出功率，pm為達到失效閾值時的輸出功率，即終止壽命，pm＝(1-m)p0，m為系統整體性能衰減率的失效閾值，a、b為衰減率系數，α失效為達到失效閾值時的重整催化劑活性衰本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，包括步驟：
2.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(2)中重整轉化率由反應消耗的甲烷的摩爾流量和初始反應物中甲烷的摩爾流量計算得到：
3.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(3)中系統整體性能衰減率的計算公式為：
4.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(4)中重整反應器性能衰減模型為：
5.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(5)中設置系統整體性能衰減率的失效閾值為10％～40％，重整催化劑活性衰減率的失效閾值為0.4～0.6倍的系統整體性能衰減率的失效閾值。
6.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(6)中當待預測電堆的已服役階段的輸出功率衰減曲線包含了第一、二、三階段時，以第三階段的衰減率預
7.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(6)中如果待預測電堆的已服役階段的輸出功率衰減曲線包括第一、二階段但不包括第三階段，則以系統整體性能剩余壽命與重整反應器剩余壽命的最小值作為剩余壽命，即：
8.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(2)還包括對所采集的歷史運行數據進行濾波平滑處理，得到平穩的歷史運行數據，濾波平滑處理的計算公式為：
...【技術特征摘要】
1.一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，包括步驟：
2.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(2)中重整轉化率由反應消耗的甲烷的摩爾流量和初始反應物中甲烷的摩爾流量計算得到：
3.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(3)中系統整體性能衰減率的計算公式為：
4.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(4)中重整反應器性能衰減模型為：
5.根據權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池發電系統剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟(5)中設置系統整體性能衰減率的失效閾值為10％～40％，重整催化劑活性衰減率的失效閾值為0.4～0.6倍的系統...
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅云，蔣文春，楊興源，石亞州，鄭紅祥，董新良，王增麗，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：
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