[发明专利]一种SOFC系统燃料饥饿诊断与供气配置方法

说明书

本发明公开了一种SOFC系统燃料饥饿诊断与供气配置方法，将固体氧化物燃料电池至于高温测试炉中，维持高温测试环境，燃料电池的阴极供应空气、阳极供应燃料气，使用电子负载测量燃料电池系统整体的电流‑电压曲线；使用多通道电压表测量固体氧化物燃料电池局部区域电压信号；计算出燃料电池的电流‑面电阻(I‑ASR)曲线；根据获得的I‑ASR曲线上面电阻的上翘现象，诊断固体氧化物燃料电池局部是否存在燃料饥饿现象。本发明放大可测量燃料电池堆局部电池单元燃料饥饿状况，缩小可检测单一电池片局部燃料饥饿状况，最终得到一个评价指标稳健、可开展局部检测的燃料电池系统燃料饥饿诊断方法。

技术领域

本发明涉及SOFC系统运行维护技术领域，具体涉及一种SOFC系统燃料饥饿诊断与供气配置方法。

背景技术

在众多燃料电池种类中，固体氧化物燃料电池(solid Oxide Fuel Cell，SOFC)具有全陶瓷固体结构，且可直接使用碳基燃料，是应用前景最广阔的一类燃料电池。在实际应用中，为提高输出功率，需将多个SOFC串联成电堆，再将多个电堆串并联组装成模组。在上述串并联过程中，配气管路的不一致性将导致配气的不均匀。实际运行中，管路与电池电极上的积碳也会造成配气不均。上述各类情形的配气不均都将体现为燃料电池电信号呈现燃料饥饿特征。燃料饥饿将引起电池阳极氧化，加速电池性能的衰减，缩短燃料电池使用寿命。

当前SOFC燃料供气配置主要通过控制燃料利用率实现：借助单一电池或单一电堆样本的电流-电压实测曲线数据，为该类燃料电池设定燃料利用率上限，在燃料电池运行中保持燃料利用率不超限。中国专利CN103413955A公开了一种防止固体氧化物燃料电池燃料利用率超限的控制方法，通过控制燃料电池系统输出电压值与其设定值的偏差预防超限发生；中国专利CN115064741A公开了一种基于内阻模型的燃料电池燃料利用率的计算方法，提升燃料利用率计算方面的便利性和准确率；中国专利CN107464944A公开了一种燃料电池系统及其操作方法，测量燃料流量、电流以及循环比估算燃料利用率。中国专利CN101378130A公开了一种驱动燃料电池装置的方法，通过检测燃料出口浓度和负载电流控制燃料利用率。此类方法的局限性在于燃料利用率属于燃料电池系统整体指标，随着燃料电池片数的增加和系统供气管路的复杂化，燃料利用率上限将发生变化。此外，作为整体指标的燃料利用率也无法避免局部燃料饥饿的发生，直接实验诊断燃料电池系统燃料供应是否充足是当前亟待突破的技术之一。

依据国内外相关专利报道，“燃料饥饿”诊断主要通过电信号检测实现，具体可分为阻抗谱法和伏安法两大类。借助阻抗谱法，中国专利CN109726452B、CN110676488A、CN113540534A、CN114899457A、CN115084593A都报道了质子交换膜燃料电池故障诊断方法，部分内容涉及燃料饥饿诊断方法。阻抗谱法主要通过检测一系列频率交流信号下被测元件的电信号实现阻抗的检测，在每一测试频率下，测试系统需满足良好的线性反馈特征，以保障阻抗谱测试的准确性。然而，燃料饥饿状态的燃料电池将发生严重的浓差极化现象，导致系统的非线性增强，大大增大了阻抗谱测试的难度。实际应用中，燃料饥饿状态燃料电池的阻抗谱重复性较差，数据呈现较大离散性，降低了阻抗谱法的可信度。相对而言，伏安法测试成本低，测试频率单一，实验操作简单，测试数据稳定，对测试系统的线性特性要求低：美国专利US20190386323A1公开了一种通过检测输出电信号波动的振幅来检测燃料电池系统燃料饥饿状态的方法；美国专利US2012028152A1公开了一种质子交换膜燃料电池系统阳极低氢浓度分压的诊断和矫正方法，具体通过检测由阳极压力变化而导致的电池最小电压的变化实现；此外，美国专利US9231263B2基于质子交换膜燃料电池阴极贵金属催化剂加载量多于阳极，发生燃料饥饿时阴极电压下降慢于阳极的客观事实，公开了一种通过检测电压下降速率区分阴阳极燃料饥饿的方法。该类检测方法的局限在于将电压信号设为控制参考阈值面临评判指标波动性大的问题：即使针对同一类燃料电池，不同燃料供应气量下燃料电池发生燃料饥饿的电压偏差可达20％以上。基于此，伏安法的广泛应用需发明一类更加稳健的评价指标。

发明内容