[发明专利]一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统

说明书

本发明公开了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统，属于燃料电池控制领域。本发明首先通过历史数据训练模糊神经网络，得到系统输入、时间与衰减电压的关系，并结合机理模型，构建数据‑机理结合的固体氧化物燃料电池系统衰减模型；其次，利用该模型获得长时间尺度下的数据，获得不同目标功率下，三个关键状态量在不同情况下对应的衰减速率，从中选取衰减速率处于较优区间时对应的关键状态量的取值范围，即可作为三个关键状态量的最优工作区间。将这些关键状态量进行有效的控制，可保证对系统衰减的影响是最小的，从而实现长寿且高效的控制。

技术领域

本发明属于燃料电池控制领域，更具体地，涉及一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统。

背景技术

燃料电池作为一种高效率、低排放的能源转换技术，通过电化学反映将存储在燃料(如氢气、甲烷)中的化学能直接转化为电能。其中，中温固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell，SOFC)以其全固体结构、良好的燃料适应性的优点，并且发电效率可达60％以上，通过CHP(热电联产)回收能量效率达到90％以上，是当今最具发展前景的能源转换技术之一。经过数十年发展，SOFC技术在材料、电堆制造、系统集成等方面已经逐渐走向成熟，许多公司也成功地展示了SOFC系统，但寿命较短的问题仍然是阻碍着其大规模商业化应用的瓶颈。

影响SOFC系统寿命的关键因素主要有三点：首先是SOFC电堆的固有特性，如材料和加工工艺让电堆自身所具有的性能，其在理想工况下会产生一个基础的自然衰减，其次是系统运行时所应用的操作点并非最优，导致了系统的自然衰减加速，第三则是在长期运行中，控制系统未能识别系统衰减累积导致的系统输入输出特性变化，控制参数不匹配当前系统状态，控制率失调，进一步导致系统工作状态恶化，加速系统的自然衰减。以上三个因素的叠加导致SOFC系统衰减速率加大，系统寿命大幅下降。

一方面，系统衰减是必然的，然而系统当前的健康状态是难以观测的，系统的状态通常都是随着时间越来越差直至故障停机，而系统衰减会对系统的正常运行造成影响，轻则消耗更多的燃料，难以达到额定功率或温度，重则系统控制失效，导致系统电堆发生不可逆的损坏而无法正常工作。另一方面，系统中电堆等主要部件衰减到一定程度时需要更换，而这些部件本身的成本较高，每次更换都会带来较大的损失，衰减的不可控甚至快速衰减会对系统运行成本带来极大的负担。而系统衰减中以电堆衰减为主要影响因素。

电堆的工作温度处于700摄氏度以上的高温，且燃料利用率不足时发生的燃料亏空会对内部材料性能造成不可逆的影响，故电堆的健康状态与其自身温度及电堆的燃料利用率高度相关。而目前的控制器又因没有良好的参考轨迹而难以有效控制电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率这三个关键状态量。

因此，如何获得系统电堆关键状态量的最优工作区间，使得对电堆衰减的影响最小，是实现系统长寿命控制的关键所在。目前关于控制研究主要都是针对运行状态较为稳定的系统，但是衰减会导致系统特性发生变化，原有的控制率将不适合衰减后的系统，导致控制不匹配甚至失效。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统，其目的在于解决现有健康状态难以获取，且难以有效降低系统衰减速率，导致系统寿命快速降低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法，该方法包括：

(S1)将SOFC系统的输入作为决策变量，即一组操作点，将SOFC系统效率最大作为优化目标，求得不同目标功率、不同目标关键状态量下，能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率的最优操作点；

(S2)向SOFC系统衰减模型输入最优操作点集合，获得衰减模型在不同输入的情况下，系统三个关键状态量及输出数据，三个关键状态量包含电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率，输出数据包含衰减速率、系统效率、系统输出功率和系统运行时间；