【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法。
技术介绍
1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)能够在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能，具有燃料适用范围广、发电效率高、无污染、低噪声等优点，在分布式发电、备用电源、军事装备方面具有广阔的应用前景。尽管sofc技术具有多种优势和巨大前景，但它的应用还没有预期的那样广泛，主要原因之一是目前sofc产品仍然存在寿命短、耐久性差等问题。sofc经长时间发电后电极材料不可避免发生微观结构变化，进而降低氧空位浓度，阻碍离子/电子传导，导致三相反应界面受到破坏，电化学反应速率下降、性能衰减。剩余使用寿命是sofc管理系统的重要组成部分，指的是从当前容量到寿命终止时的剩余时间，剩余使用寿命预测可以反映电池的健康状态，能够避免因退化引发严重后果，是制定sofc维护策略的重要依据。然而，当前针对sofc的剩余寿命预测方法通常基于蠕变疲劳损伤与电化学性能衰减建立sofc寿命预测模型，这种方法相对复杂，无法适用于现场sofc剩余寿命的快速预测。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法。
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，包括步骤：
4、(1)获取固体氧化物燃料电池电堆从初始运行至当前时刻的已服役
5、(2)根据步骤(1)所采集的历史运行数据每隔△t小时计算一次衰减率，得到不同运行时间点的衰减率，并根据所计算的衰减率对电堆衰减趋势进行分析，确定衰减趋势变化节点并按节点将步骤(1)的电压或功率衰减曲线分阶段划分，将衰减率η＞2％/kh作为第一阶段，即电堆运行初期的快速衰减阶段，将衰减率0.1＜η≤2％/kh作为第二阶段，即电堆运行中期的缓慢衰减阶段，将衰减率η≤0.1％/kh作为第三阶段，即电堆运行后期的平稳运行阶段；
6、(3)计算电堆已服役阶段的总衰减率，并定义失效阈值作为寿命终止值，判断已服役阶段的总衰减率是否超过失效阈值；若超出，则判断该电堆已无剩余使用寿命，若未超出，则根据步骤(4)计算该电堆的使用寿命；
7、(4)判断电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线是否包含第一和第二和/或第三阶段，如果电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段，则以第三阶段的衰减率预测未来电压或功率衰减趋势，并计算剩余寿命；如果电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线仅包括第一阶段和第二阶段，则以第一、二阶段两个不同时刻的衰减率结合燃料利用率预测未来电压或功率衰减趋势，并计算剩余寿命。
8、进一步地，所述步骤(2)中衰减率的计算公式为：
9、
10、其中，ηn为第n时刻的每一千小时的衰减率，n为序号，表示第n时刻，p0为达到正常工作电压时刻的输出功率，pn表示在n时刻的输出功率，pn-△t表示在n-△t时刻的输出功率，△t为间隔时间。
11、进一步地，所述步骤(3)中电堆已服役阶段的总衰减率的计算公式为：
12、
13、其中，ηs为电堆已服役阶段的总衰减率，p0为达到正常工作电压时刻的输出功率，ps为电堆当前的输出功率。
14、进一步地，所述步骤(3)中设置失效阈值为10％～40％。
15、进一步地，所述步骤(3)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段时，以第三阶段的衰减率预测未来电压或功率衰减趋势，未来服役tf时间后的输出功率为：
16、pf＝ps-(p0×a3×tf)
17、其中，pf为电堆在当前已服役时间基础上继续服役tf时间对应的输出功率，p0为达到正常工作电压时刻的输出功率，a3为第三阶段的衰减率，取0.1％/kh，tf为未来继续服役的时间，kh；ps为电堆当前的输出功率。
18、进一步地，所述步骤(3)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段时，预测输出功率达到失效阈值时的剩余寿命的计算公式为：
19、
20、其中，trul为从当前时刻到达到失效阈值时服役的时间，即剩余寿命，kh；p0为达到正常工作电压时刻的输出功率，ps为电堆当前的输出功率，pm为达到失效阈值时的输出功率，pm＝(1-m)p0，m为失效阈值，a3为第三阶段的衰减率，取0.1％/kh。
21、进一步地，所述步骤(3)中如果电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线仅包括第一、二阶段，则以第一、二阶段两个不同时刻的衰减率结合燃料利用率预测未来电压或功率衰减趋势，未来服役tf时间后的输出功率为：
22、
23、a、b通过如下公式得到：
24、
25、其中，pf为电堆在当前已服役时间基础上继续服役tf时间对应的输出功率，p0为达到正常工作电压时刻的输出功率，tf为未来继续服役的时间，kh；a、b为衰减率系数，φ为燃料利用率，t为电堆稳定运行时的工作温度，j为电流密度，cn为第n阶段中某一时间段的相对衰减量，δp为第n阶段中某一时间段的功率衰减量，n取1和2，tn为所选取的相对衰减量cn所对应的运行时间。
26、进一步地，所述步骤(3)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线仅包括第一、二阶段时，预测输出功率达到失效阈值时的剩余寿命的计算公式为：
27、
28、其中，trul为从当前时刻到达到失效阈值时服役的时间，即剩余寿命，kh；pm为达到失效阈值时的输出功率，即终止寿命，pm＝(1-m)p0，m为失效阈值。
29、进一步地，所述步骤(2)还包括对步骤(1)所采集的历史运行数据进行滤波平滑处理，得到平稳的历史运行数据，然后利用滤波平滑处理后的历史运行数据计算衰减率，滤波平滑处理的计算公式为：
30、
31、其中，n为序号，表示第n时刻，h(n)为第n时刻的冲激响应，τn为第n时刻的分析时间点。
32、本专利技术的有益效果为：
33、本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，依据已服役阶段的历史运行数据构建固体氧化物燃料电池电堆性能衰减曲线，根据衰减曲线分析衰减趋势并建立未来电压或功率衰减趋势计算公式，然后根据已服役阶段的数据即可预测该电堆的未来衰减趋势，并根据定义的失效阈值预测电堆的剩余寿命；本专利技术的预测方法能够实现固体氧化物燃料电池电堆的剩余寿命在线预测，且预测方法简便、可靠，实用性强，适用于现场电堆剩余寿命的快速预测，对在运行的固体氧化物燃料电池电堆的健康管理具有重要意义。
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1.一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中衰减率的计算公式为：
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中设置失效阈值为10％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中电堆已服役阶段的总衰减率的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段时，以第三阶段的衰减率预测未来电压或功率衰减趋势，未来服役tf时间后的输出功率为：
6.根据权利要求5所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段时，预测输出功率达到失效阈值时的剩余寿命的计算公式为：
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1.一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中衰减率的计算公式为：
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中设置失效阈值为10％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中电堆已服役阶段的总衰减率的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中当电堆已服役阶段的电压或功率衰减曲线包含了第一、二、三阶段时，以第三阶段的衰减率预测未来电压或功率衰减趋势，未来服役tf时间后的输出功率为：
6.根据权利要求5所述的一种固体氧化物燃料电池电堆剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中当电堆...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗云，蒋文春，石亚州，郑红祥，董新良，杨鑫，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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