一种固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法与流程

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,sofc)通过电化学反应可以直接将碳氢化合物燃料中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动过程，因而具有安静、高效、无污染的优点。相比于储能电池，sofc发电技术具有高能比、强续航能力，是无人机、无人艇进行远程长期作业的理想供电装置，因此，其在军事国防、分布式供电等领域具有广阔的应用前景。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，但高成本、低寿命仍然是阻碍着其大规模商业化应用的瓶颈问题，其中，系统故障的发生是一个主要原因。

sofc系统的运行需要各组件皆可良好工作，任意一处出现损坏，都会对系统的正常运行造成极大的影响甚至导致停机。以电堆为例，若发生电堆阳极入口漏气现象，则会导致氢气在电堆外围燃烧，难以控制电堆的工作温度，轻则降低系统燃料利用率造成燃料轻微泄露，重则使电堆超出工作温度发生不可逆的破裂甚至损坏而无法正常工作，导致系统无法发电并停止运行，造成系统运行高成本与低寿命的情况，因此，对系统故障进行实时辨识并处理对实现系统低成本、长寿命的运行至关重要。

一方面，系统故障的发生往往难以辨识，通常都是在故障爆发后才可观测到明显现象，此时故障已经对系统造成了极大地影响，除了影响系统效率外，极易造成系统组件的损坏且难以修复，加重高成本、低寿命的情况；另一方面，系统的工作温度达到800摄氏度高温，只有在常温状态才能对部件进行详细的检查与更替以解决故障，而目前发现一经发现故障，常用的处理方式是直接对系统进行强制停机，此操作极易对系统各组件造成故障后的二次损伤，进一步加重系统高成本及寿命的损失。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法，其目的在于解决，现有故障难以辨识且处理方法单一，易对系统造成二次损坏，导致系统运行效率和寿命降低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法，包括：

(1)获取系统在不同故障类型、不同故障程度、不同功率点情况下相对于无故障情形对应的漂移特征；

(2)获取系统当前状态参数，根据所述漂移特征辨识对系统故障类型和程度进行辨识；

(3)根据不同的故障类型和程度，对电池平均电压、空气旁路开度、燃料旁路开度、水碳比、空气流量或燃料流量进行调节后，平稳停机并维修故障点，避免对系统造成二次损坏。

进一步地，所述获取系统在不同故障类型、不同故障程度、不同功率点情况下相对于无故障情形对应的漂移特征，具体为，通过拟合函数hdsys＝a-bhdr+chdst，r²＝d，获取不同故障类型、不同故障程度、不同功率点情况下相对于无故障情形的漂移特征；

其中，hdsys为系统健康度，hdr为重整器健康度，hdst为电堆健康度，b、c分别为两者对应的系数，a为常数项，r²为拟合优度。

进一步地，所述故障类型包括：电堆阳极入口漏气、电池轻度破裂、重整器积碳、换热器烟气入口漏气、燃烧室漏气和风机机械性能下降；各种故障类型的故障程度包括故障爆发前和故障爆发后。

进一步地，在电堆阳极入口漏气或换热器烟气入口漏气故障发生前，所述工程化处理具体为：平稳停机后维修故障点或置换元件；在电堆阳极入口漏气或换热器烟气入口漏气故障发生后，所述工程化处理具体为：通过减少燃料流量以使泄漏量降至设定阈值，并通过减少电堆空气流量以控制电堆温度梯度至设定阈值后，平稳停机维修故障点或置换原件。

进一步地，在电池轻度破裂故障发生前，所述工程化处理具体为：平稳停机后维修故障点或置换元件；在电池轻度破裂故障发生后，所述工程化处理具体为：增大燃烧室空气旁路开度以控制燃烧室工作温度至设定阈值内，调节分流比以控制重整器工作温度至设定阈值内，减少燃料流量以使泄漏量降至设定阈值，并通过减少电堆空气流量以控制电堆温度梯度至设定阈值，随后平稳停机置换电堆。

进一步地，重整器积碳故障发生前，所述工程化处理具体为：增大水碳比消除积碳，使系统恢复正常运行；重整器积碳故障发生后，所述工程化处理具体为：增大水碳比并判断积碳可逆程度，若可逆程度高则使系统恢复正常运行，反之则平稳停机置换重整器。

进一步地，燃烧室漏气故障发生前，所述工程化处理具体为：平稳停机后维修故障点或置换元件；燃烧室漏气故障发生后，所述工程化处理具体为：减少电堆空气流量以控制电堆温度梯度至设定阈值，增大燃烧室空气旁路开度以控制燃烧室工作温度至设定阈值内，随后平稳停机维修故障点或置换燃烧室。

进一步地，燃烧室工作温度设定阈值为不超过900摄氏度，重整器工作温度设定阈值为600至800摄氏度，泄漏量设定阈值为不超过空气含量的5％，电堆温度梯度的设定阈值为不超过100摄氏度。

进一步地，风机机械性能下降故障发生前后，所述工程化处理均为：平稳停机后维修故障点或置换风机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明方法基于健康度评价体系对sofc系统故障类型和故障程度进行提前辨识，最大程度避免系统组件因故障发现不及时而受到难以修复的损坏，降低了系统成本和寿命损失；同时本发明根据辨识出的不同故障类型和故障程度做出不同处理，从而在故障处理过程中对系统各组件进行保护，避免造成系统二次损坏，进一步降低了系统成本和寿命损失，最终实现系统低成本、长寿命运行，适用于实际工程的应用。

附图说明

图1是本发明提出的固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池系统故障的处理方法，包括：

(1)获取系统在不同故障类型、不同故障程度、不同功率点情况下相对于无故障情形的漂移特征；

具体地，在长时间运行中，系统不可避免地发生故障问题，从而极大地影响系统运行。而系统故障存在一个前期的缓变过程，在其缓变期通过关键状态量的变化趋势及早辨识出故障进而及时采取相应措施，是我们应对系统故障演变机制的最佳选择。基于健康度评价体系可以获得各种情形下的重整器、电堆以及系统的健康度衰减函数。由于系统健康度与重整器健康度、电堆健康度密切相关，考虑通过函数拟合的方式挖掘其内在的数学规律，其中线性拟合效果最佳，拟合结果函数的数学表达式为：

hdsys＝a-bhdr+chdst，r²＝d

其中，hdsys为系统健康度，hdr为重整器健康度，hdst为电堆健康度，b、c分别为两者对应的系数，a为常数项，r²为拟合优度。

分析不同故障类型、不同故障程度、不同功率点下的拟合函数相对于无故障情形的主要漂移特征，大幅漂移的参数可以作为故障辨识的有力依据，从而有效区分各种故障类型并辨识故障程度。本发明中故障类型包括：电堆阳极入口漏气、电池轻度破裂、重整器积碳、换热器烟气入口漏气、燃烧室漏气和风机机械性能下降；各种故障类型的故障程度包括故障爆发前和故障爆发后。

表1为不同故障情形下系统健康度对重整器、电堆健康度的函数拟合函数。由表中数据可以提取以下故障特征：电堆阳极入口漏气使hdr系数大幅增大、hdst系数大幅减小，常数项和r²减小；电池轻度破裂使常数项大幅减小，hdr系数增大、hdst系数和r²减小；重整器积碳是唯一使hdst系数和r²增大的情形，此时常数项减小、hdr系数增大；换热器烟气入口漏气与燃烧室漏气表现出类似的参数漂移特性，常数项大幅增大、r²大幅减小，hdr系数、hdst系数减小，差异略明显的是前者的r²相比无故障情形下降幅度约为0.007，而后者接近0.01；风机机械效率下降情形与无故障情形拟合函数基本一致；其中，大幅漂移的参数可以作为故障辨识的有力依据，因此通过函数拟合函数相对无故障情形的漂移我们可以有效区分电堆阳极入口漏气、电池轻度破裂、重整器积碳、换热器烟气入口漏气、燃烧室漏气、风机机械性能下降与无故障情形，其中，换热器烟气入口漏气与燃烧室漏气属于同一故障类别，共五个大类。

表1

(2)实时获取系统当前状态参数，根据漂移特征辨识系统故障类型和程度；

具体地，根据获取到的系统参数对系统当前状态进行拟合，根据拟合结果判断系统故障类型和程度。

(3)根据不同的故障类型和程度，调节电池平均电压、空气旁路开度、燃料旁路开度、水碳比、空气流量与燃料流量，避免故障处理对系统造成的二次损坏。

具体地，在电堆阳极入口漏气或换热器烟气入口漏气故障发生前，平稳停机后维修故障点或置换元件；在电堆阳极入口漏气或换热器烟气入口漏气故障发生后，由于电堆阳极入口漏气与换热器烟气入口漏气均会导致电堆平均温度骤降，这个过程会拉大电堆温度梯度，因此在确认故障后除了控制燃料流量以减少泄漏量外，还需保障电堆空气入口温度下降不能过快，因为已有的实验经验表明电堆温度梯度扩大主要是因为入口温度下降较快而出口下降较慢造成的，这一点可以通过适当减小流过电堆的空气流量来实现，在电堆温度梯度得到有效控制后可保持相应流量平稳停机、维修漏气点或置换元件。

在电池轻度破裂故障发生前，平稳停机后维修故障点或置换元件；在电池轻度破裂故障发生后，其影响最为显著，此时燃烧室、重整器的响应幅度都较大，尤其是燃烧室温度可能会快速超调，因此在确认该故障后需增大燃烧室空气旁路开度压制其温度、适当调节分流比控制重整器工作温度，使燃烧室、重整器、电堆温度均在可控范围后再平稳停机置换电堆。

重整器积碳故障发生前，增大水碳比消除积碳，使系统恢复正常运行；重整器积碳故障发生后，若通过增大水碳比能基本清除积碳(即可逆程度高)则系统可以恢复正常运行，若能够清除的积碳不多(即可逆程度低)则最佳选择为平稳停机置换系统元件。

燃烧室漏气故障发生前，平稳停机后维修故障点或置换元件；燃烧室漏气故障发生后，除了造成电堆平均温度骤降，在高功率段还可能会导致燃烧室温度超调，因此确认该故障后除了采取上述控制电堆温度梯度的措施，还需增大燃烧室空气旁路开度以压制其温度超调，在二者均得到有效控制后再平稳停机维修漏气点或置换元件。本发明中上述相关变量的控制阈值根据系统设定，其中，泄漏量应不超过空气含量的5％，电堆温度梯度应不超过100摄氏度，燃烧室工作温度应不超过900摄氏度，重整器工作温度为600摄氏度至800摄氏度。

风机机械性能下降故障发生前和发生后，均采取平稳停机后维修故障点或置换风机的操作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。