中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開(kāi)。在4月26日上午的“氫能與燃料電池“專場(chǎng)，華中科科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院教授李曦在會(huì)上分享了主題報(bào)告《固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)性能評(píng)估與高效健康管控》，以下為演講實(shí)錄：
李曦：各位來(lái)賓，大家上午好！下面將我們團(tuán)隊(duì)在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)性能評(píng)估與健康管控領(lǐng)域所做工作給大家做一個(gè)介紹。主要圍繞以下四個(gè)方面。首先是SOFC系統(tǒng)的背景、原理、特點(diǎn)。剛才前面幾位老師都已經(jīng)詳細(xì)地介紹了SOFC系統(tǒng)的發(fā)展歷史和產(chǎn)品特點(diǎn)。這是美國(guó)的海軍水下作戰(zhàn)中心選擇UUV動(dòng)力電源的時(shí)候所做的能量密度比的數(shù)據(jù)論證，充分說(shuō)明了固體氧化物燃料電池優(yōu)勢(shì)。固體氧化物燃料電池的核心反應(yīng)載體，在高溫600℃以上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，為保障穩(wěn)定高品質(zhì)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(gè)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，才能符合一個(gè)具體應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求。圖中是國(guó)際上SOFC在海陸空等領(lǐng)域呈現(xiàn)的不同具體應(yīng)用，比如美日歐等國(guó)的分布式電站、家庭熱電聯(lián)供、車用輔助動(dòng)力以及百瓦級(jí)無(wú)人機(jī)。
國(guó)內(nèi)像晉煤集團(tuán)、華清京昆、清華與礦大開(kāi)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(jí)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(jí)SOFC系統(tǒng)都在陸續(xù)開(kāi)展示范工作。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)當(dāng)前都存在的共性問(wèn)題就是壽命與效率，基于此，行業(yè)內(nèi)都在大力投入固體氧化物燃料電池在壽命、衰減與評(píng)估診斷領(lǐng)域的研發(fā)工作。在電池、電堆和外圍的BOP系統(tǒng)各個(gè)關(guān)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(wèn)題，將導(dǎo)致單元部件及系統(tǒng)的性能與壽命衰減。如何分析與評(píng)價(jià)SOFC性能退化與故障演變機(jī)制？進(jìn)而如何診斷與干預(yù)控制。歐州的氫能與燃料電池聯(lián)盟專門(mén)立項(xiàng)了“DIAMOND”項(xiàng)目，聯(lián)合了法國(guó)、荷蘭等六個(gè)國(guó)家在電堆、BOP與系統(tǒng)等領(lǐng)域開(kāi)展了性能測(cè)試、評(píng)估診斷與健康控制的工作。
我們?nèi)A中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在過(guò)去的15年中，針對(duì)固體氧化物燃料電池的性能評(píng)估與診斷持續(xù)開(kāi)展了相關(guān)的研究。這是我們李箭老師所負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)的主要核心成員，完成了從材料粉末到獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的全產(chǎn)品鏈研發(fā)，進(jìn)而通過(guò)武漢華科福賽新能源有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化全程貫通。面向SOFC性能測(cè)試，如圖中華科福賽公司1~5kW級(jí)SOFC測(cè)試臺(tái)系列產(chǎn)品銷售外，公司也開(kāi)展圖中所示千瓦級(jí)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)示范運(yùn)行，這是相關(guān)媒體報(bào)道。其使用碳?xì)淙剂系膋W級(jí)SOFC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行示范了一千多個(gè)小時(shí)，系統(tǒng)效率約50%。系統(tǒng)要做到長(zhǎng)壽命穩(wěn)定運(yùn)行才能真正投入穩(wěn)定的場(chǎng)景實(shí)用，在此過(guò)程中我們也遇到了千奇百怪的問(wèn)題。我們把各個(gè)階段、各個(gè)單元遇到的問(wèn)題和數(shù)據(jù)匯集起來(lái)做了全生命周期的性能評(píng)估與分析。
具體怎么分析，怎么評(píng)估和做出相應(yīng)的診斷？下面我介紹一下這一塊所開(kāi)展的工作。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)級(jí)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，這是它的結(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)等。低溫區(qū)故障相對(duì)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(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)品質(zhì)。針對(duì)高溫區(qū)部件具體所面臨的各類的問(wèn)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(gè)關(guān)鍵性容易發(fā)生故障的部件單元進(jìn)行分析——電堆、重整、換熱和燃燒?；诖罅肯到y(tǒng)發(fā)電測(cè)試分析，在上述冷區(qū)與熱區(qū)這幾個(gè)關(guān)鍵部分，針對(duì)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(guò)程，通過(guò)機(jī)理模型分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jié)果顯示模型分析預(yù)測(cè)結(jié)果與所建立的樣本數(shù)據(jù)還是比較接近的?；谠撓盗谢容^高的模型，才得以開(kāi)展下面的評(píng)估診斷和控制。
我們通過(guò)盡可能全面地監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析電堆、換熱、燃燒、重整等關(guān)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(jī)理分析與大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)，把故障源進(jìn)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(lái)運(yùn)行的時(shí)候，當(dāng)時(shí)做了十天的持續(xù)試驗(yàn)。之前系統(tǒng)輸出在780W的時(shí)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(guò)峰值之后再進(jìn)行自熱維持。接下來(lái)穩(wěn)定兩天后，性能逐步有衰減現(xiàn)象，并呈現(xiàn)加快趨勢(shì)。我們以為電堆出了問(wèn)題，加大空氣量補(bǔ)給后情況有所緩解，分析實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電壓還比較穩(wěn)定，進(jìn)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(lái)越相關(guān)，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(dāng)時(shí)漏得越來(lái)越大，溫度在上升，但是電堆本身沒(méi)有問(wèn)題。由此，在線運(yùn)行的時(shí)候，我們可以做一個(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
同樣，我們?cè)谧鲋卣e碳、電堆溫度超標(biāo)與燃燒離焰分析時(shí)候，所遇問(wèn)題都進(jìn)行類似的多重深入故障機(jī)理類似分析，后來(lái)都能夠有效評(píng)估性能、延緩故障出現(xiàn)或失控，并實(shí)現(xiàn)保障；即使系統(tǒng)進(jìn)入亞健康狀態(tài)還能快速地有效跟蹤運(yùn)行。這是我們做的健康管控的根本目標(biāo)與最后想實(shí)現(xiàn)的效果，將這些現(xiàn)象、控制策略、分析機(jī)制進(jìn)行大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、實(shí)測(cè)、驗(yàn)證，把算法再集成到系統(tǒng)里面，做出相應(yīng)的分析和診斷與管控?；谏鲜龇椒ㄑ芯颗c技術(shù)開(kāi)發(fā)，逐步形成一個(gè)類似儀器裝備，再進(jìn)一步推廣到整個(gè)系統(tǒng)的類似產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用。
這個(gè)會(huì)議主題是儲(chǔ)能發(fā)電，今后我們將SOFC領(lǐng)域的相關(guān)方法、技術(shù)與福賽公司產(chǎn)品的積累，進(jìn)一步拓展應(yīng)用到微能網(wǎng)，再結(jié)合人工智能學(xué)科，基于實(shí)測(cè)與軟測(cè)量大數(shù)據(jù)，深度學(xué)習(xí)與機(jī)理建模分析復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程中冷/熱/電/氣等多能域耦合和性能演變機(jī)制，保障微能網(wǎng)或運(yùn)載動(dòng)力用燃料電池系統(tǒng)全生命周期高效穩(wěn)定運(yùn)行。
謝謝！
