李曦：各位來賓，大家上午好!下面將我們團隊在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)性能評估與健康管控領域所做工作給大家做一個介紹。主要圍繞以下四個方面。首先是SOFC系統(tǒng)的背景、原理、特點。剛才前面幾位老師都已經詳細地介紹了SOFC系統(tǒng)的發(fā)展歷史和產品特點。這是美國的海軍水下作戰(zhàn)中心選擇UUV動力電源的時候所做的能量密度比的數(shù)據(jù)論證，充分說明了固體氧化物燃料電池優(yōu)勢。固體氧化物燃料電池的核心反應載體，在高溫600℃以上發(fā)生電化學反應，為保障穩(wěn)定高品質系統(tǒng)輸出，還需要配備一系列高低溫區(qū)BOP器件等形成一個獨立發(fā)電系統(tǒng)，才能符合一個具體應用場景的實際需求。圖中是國際上SOFC在海陸空等領域呈現(xiàn)的不同具體應用，比如美日歐等國的分布式電站、家庭熱電聯(lián)供、車用輔助動力以及百瓦級無人機。
國內像晉煤集團、華清京昆、清華與礦大開發(fā)的1-15kW SOFC系統(tǒng)、中科院寧波所與索福人公司的1-25kW級SOFC系統(tǒng)、中科院上海硅所以及華科大與華科福賽公司1-5kW級SOFC系統(tǒng)都在陸續(xù)開展示范工作。與此同時，國內外系統(tǒng)當前都存在的共性問題就是壽命與效率，基于此，行業(yè)內都在大力投入固體氧化物燃料電池在壽命、衰減與評估診斷領域的研發(fā)工作。在電池、電堆和外圍的BOP系統(tǒng)各個關鍵組成部件及集成系統(tǒng)中，廣泛存在電、熱、氣方面多能域耦合等問題，將導致單元部件及系統(tǒng)的性能與壽命衰減。如何分析與評價SOFC性能退化與故障演變機制?進而如何診斷與干預控制。歐州的氫能與燃料電池聯(lián)盟專門立項了“DIAMOND”項目，聯(lián)合了法國、荷蘭等六個國家在電堆、BOP與系統(tǒng)等領域開展了性能測試、評估診斷與健康控制的工作。
我們華中科技大學團隊也在過去的15年中，針對固體氧化物燃料電池的性能評估與診斷持續(xù)開展了相關的研究。這是我們李箭老師所負責團隊的主要核心成員，完成了從材料粉末到獨立發(fā)電系統(tǒng)的全產品鏈研發(fā)，進而通過武漢華科福賽新能源有限公司實現(xiàn)產業(yè)化全程貫通。面向SOFC性能測試，如圖中華科福賽公司1~5kW級SOFC測試臺系列產品銷售外，公司也開展圖中所示千瓦級獨立發(fā)電系統(tǒng)示范運行，這是相關媒體報道。其使用碳氫燃料的kW級SOFC系統(tǒng)穩(wěn)定運行示范了一千多個小時，系統(tǒng)效率約50%。系統(tǒng)要做到長壽命穩(wěn)定運行才能真正投入穩(wěn)定的場景實用，在此過程中我們也遇到了千奇百怪的問題。我們把各個階段、各個單元遇到的問題和數(shù)據(jù)匯集起來做了全生命周期的性能評估與分析。
具體怎么分析，怎么評估和做出相應的診斷?下面我介紹一下這一塊所開展的工作。對一個系統(tǒng)級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，這是它的結構示意圖，一般分高溫區(qū)和低溫區(qū)。高溫區(qū)包括電堆、燃燒室、重整、換熱，低溫區(qū)一般包括有電控單元、傳感、儀表和風機等。低溫區(qū)故障相對容易處理。高溫區(qū)處于600℃以上的環(huán)境，每一部件性能稍有損傷都會影響到整個系統(tǒng)品質。針對高溫區(qū)部件具體所面臨的各類的問題，比如性能是怎么衰減的、怎么規(guī)避、怎么延緩、怎么控制?我們主要圍繞了四個關鍵性容易發(fā)生故障的部件單元進行分析——電堆、重整、換熱和燃燒。基于大量系統(tǒng)發(fā)電測試分析，在上述冷區(qū)與熱區(qū)這幾個關鍵部分，針對其從正常工作到異常工作性能逐步衰減、發(fā)生故障的全過程，通過機理模型分析和數(shù)據(jù)驅動建立了含各部件特性演變的模型。把正常、異常乃至故障的數(shù)據(jù)盡可能地和我們所搭建的模型去匹配，結果顯示模型分析預測結果與所建立的樣本數(shù)據(jù)還是比較接近的。基于該系列化精度較高的模型，才得以開展下面的評估診斷和控制。
我們通過盡可能全面地監(jiān)測到實時數(shù)據(jù)，分析電堆、換熱、燃燒、重整等關鍵單元相互間的熱電氣耦合特性，描述其怎么影響系統(tǒng)性能衰減。我們采用機理分析與大數(shù)據(jù)機器學習，把故障源進行怎么分類定位并提取。比如換熱這一塊，空氣換熱在陰極氣路，高溫封閉起來運行的時候，當時做了十天的持續(xù)試驗。之前系統(tǒng)輸出在780W的時候，電池堆能夠自熱維持，并找到最佳工況下獲得最大工作效率，沖過峰值之后再進行自熱維持。接下來穩(wěn)定兩天后，性能逐步有衰減現(xiàn)象，并呈現(xiàn)加快趨勢。我們以為電堆出了問題，加大空氣量補給后情況有所緩解，分析實時監(jiān)控參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電壓還比較穩(wěn)定，進一步發(fā)現(xiàn)換熱器陰極出口壓力逐漸衰減到零，性能與空氣量加大越來越相關，但電堆電特性依舊可以延緩衰減。事后，拆解系統(tǒng)BOP與電堆，發(fā)現(xiàn)當時漏得越來越大，溫度在上升，但是電堆本身沒有問題。由此，在線運行的時候，我們可以做一個大致的推理，初步診斷是換熱器出現(xiàn)破裂。這一推理事后也得到了實驗驗證。
同樣，我們在做重整積碳、電堆溫度超標與燃燒離焰分析時候，所遇問題都進行類似的多重深入故障機理類似分析，后來都能夠有效評估性能、延緩故障出現(xiàn)或失控，并實現(xiàn)保障;即使系統(tǒng)進入亞健康狀態(tài)還能快速地有效跟蹤運行。這是我們做的健康管控的根本目標與最后想實現(xiàn)的效果，將這些現(xiàn)象、控制策略、分析機制進行大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、實測、驗證，把算法再集成到系統(tǒng)里面，做出相應的分析和診斷與管控。基于上述方法研究與技術開發(fā)，逐步形成一個類似儀器裝備，再進一步推廣到整個系統(tǒng)的類似產品級應用。
這個會議主題是儲能發(fā)電，今后我們將SOFC領域的相關方法、技術與福賽公司產品的積累，進一步拓展應用到微能網，再結合人工智能學科，基于實測與軟測量大數(shù)據(jù)，深度學習與機理建模分析復雜動態(tài)過程中冷/熱/電/氣等多能域耦合和性能演變機制，保障微能網或運載動力用燃料電池系統(tǒng)全生命周期高效穩(wěn)定運行。
謝謝!
