本發(fā)明屬于固體燃料電池，具體涉及一種混合驅(qū)動(dòng)的sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、氫能作為一種可再生的二次能源載體，被視為21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，作為碳零排放的能源載體，正得到越來(lái)越多的關(guān)注。固體氧化物燃料電池(solid?oxidefuel?cell,sofc)是新一代顛覆性發(fā)電技術(shù)、構(gòu)筑能源安全新體系的關(guān)鍵途徑，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手。其燃料為直接或間接產(chǎn)生的氫氣與氧氣在電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能并產(chǎn)生大量熱量，為了提高整體的燃料利用率，需要借助換熱器等bop（banlance?ofplants,bop）部件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的回收利用，因此實(shí)際中sofc的工作往往以sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、目前對(duì)sofc壽命的預(yù)測(cè)研究往往集中于電堆自身的電化學(xué)衰減，未考慮到bop部件發(fā)生性能衰減會(huì)改變電堆的工作環(huán)境繼而影響電堆的壽命。因此在分析電堆衰減的基礎(chǔ)上，考慮耦合典型bop部件的衰減機(jī)理，形成sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)態(tài)衰減模型，此外由于目前對(duì)于sofc的機(jī)理表述仍不清楚，單純依靠數(shù)學(xué)模型無(wú)法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的剩余壽命，因此采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)+模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，基于此對(duì)sofc系統(tǒng)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，可以為sofc系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考也為系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命運(yùn)行指明方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是提供一種混合驅(qū)動(dòng)的sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)模擬sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減和進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，分析系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下各個(gè)組件相互作用對(duì)系統(tǒng)壽命的影響。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種混合驅(qū)動(dòng)的sofc熱電聯(lián)供系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方法，包括sofc系統(tǒng)動(dòng)態(tài)衰減模型的建立和混合驅(qū)動(dòng)的sofc系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)模型的建立；其中sofc系統(tǒng)動(dòng)態(tài)衰減模型的建立包括以下步驟：

4、s0：確定sofc熱電系統(tǒng)的具體流程及所用到的典型bop部件；

5、s1：針對(duì)電堆的性能衰減原理進(jìn)行分析，建立電堆的衰減模型；

6、s2：針對(duì)典型bop部件的性能衰減原理進(jìn)行分析，建立典型bop部件的衰減模型；

7、s3：基于衰減模型利用matlab軟件搭建系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減模型并進(jìn)行驗(yàn)證；

8、s4：基于搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

9、混合驅(qū)動(dòng)的sofc系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)模型主要是基于sofc動(dòng)態(tài)衰減模型模擬的大量不同工況下的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用多維時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，結(jié)合建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練和驗(yàn)證后得到sofc系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)模型，具體步驟包括：

10、1）設(shè)置不同邊界條件參數(shù)得到不同工況下的sofc系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集；

11、2）相關(guān)性分析篩選對(duì)系統(tǒng)壽命影響較大的參數(shù)；

12、3）基于sofc系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的特性搭建合適的壽命預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

13、4）利用收集的數(shù)據(jù)集對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，誤差滿(mǎn)足10%以?xún)?nèi)定義模型訓(xùn)練成功，得到系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)模型。

14、優(yōu)選的，在步驟s0中，sofc熱電系統(tǒng)的建模主要考慮sofc電堆、重整器、混合器、水蒸發(fā)器、換熱器、尾氣燃燒室等部件；具體的sofc工作流程為，陽(yáng)極側(cè)燃料氣經(jīng)過(guò)脫硫器進(jìn)行脫硫（建模中不考慮含硫，假設(shè)燃料含硫量為0），經(jīng)過(guò)換熱器換熱后進(jìn)入混合器與水蒸氣進(jìn)行混合（假設(shè)氣體混合均勻），隨后進(jìn)入重整器進(jìn)行重整，重整后氣體進(jìn)入電堆陽(yáng)極。

15、優(yōu)選的，在步驟s0中，陰極空氣經(jīng)過(guò)換熱器換熱后進(jìn)入電堆陰極。

16、優(yōu)選的，在步驟s0中，陽(yáng)極出口尾氣首先進(jìn)入尾氣燃燒室進(jìn)行燃燒，燃燒的高溫?zé)煔馐紫葹橹卣磻?yīng)器提供合適的反應(yīng)溫度，隨后為進(jìn)入混合器前的燃料氣進(jìn)行預(yù)熱。

17、優(yōu)選的，在步驟s0中，陰極出口尾氣對(duì)入口空氣進(jìn)行預(yù)熱。

18、優(yōu)選的，在步驟s1中，對(duì)sofc電堆的衰減主要是考慮到連續(xù)運(yùn)行工況下的衰減，具體電化學(xué)衰減模型為：

19、；

20、；

21、；

22、；

23、；

24、；

25、；

26、；

27、；

28、；

29、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>γ</mi><mi>i</mi></msub><mi>=</mi><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><mn>72</mn><mi>x</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><mi>?</mi><mi>(</mi><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mi>s</mi></msub><mi>)</mi><mi>n</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>d</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>d</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>(</mi><mn>1</mn><mi>?</mi><msqrt><mn>1</mn><mi>?</mi><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></msqrt><mi>)</mi></mrow></mfrac><mi>,</mi><mi>i</mi><mi>=</mi><mi>a</mi><mi>,</mi><mi>c</mi></mstyle>；

30、其中，為sofc電堆實(shí)際電壓，為電堆內(nèi)單電池片數(shù)，為單電池起始電壓，為電壓衰減率，為擬合系數(shù)，根據(jù)實(shí)際電池片性能進(jìn)行擬合得到，為燃料利用率，為損傷變量，為電堆內(nèi)溫度，為電堆理想工作溫度，為自然常數(shù)2.718， i為電流密度， e n為nernst電壓， η ohm為歐姆損失， η act為活化損失， η con為濃差損失， e 0為標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)， f為法拉第常數(shù)（96485c?mol-1）， r為通用其他常數(shù)（8.314j?mol-1k-1）， p為氣體壓力， r cell為電阻， i l為交換電流密度， i oa為陽(yáng)極交換電流密度， i oc為陰極交換電流密度， γ為陽(yáng)、陰極的交換電流密度所對(duì)應(yīng)的指前因子（其中下標(biāo)帶 a表示陽(yáng)極的，下標(biāo)帶 c表示陰極的）， p ref為大氣壓， e act,a為陽(yáng)極活化能， e act,c為陰極活化能， k i為交換電流密度系數(shù)， x為晶粒接觸頸長(zhǎng)度與晶粒尺寸之比， d p為孔徑， d s為晶粒尺寸， n為電極孔隙率。

31、優(yōu)選的，在步驟s1中溫度、壓力、組分變化依據(jù)如下方程計(jì)算：

32、；

33、；；

34、；

35、；

36、；

37、其中， n out為出口摩爾流量， n in為入口摩爾流量， r i為摩爾反應(yīng)速率， n為部件內(nèi)摩爾含量， x為摩爾分?jǐn)?shù)， c v為定容比熱容， r為通用氣體常數(shù)， h為焓，為組分 i的焓值，為組分i在298.15k時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)焓值。

38、優(yōu)選的，在步驟s2中針對(duì)典型bop部件的溫度、壓力、組分依據(jù)的方程如s1中的方程。

39、優(yōu)選的，在步驟s2中，針對(duì)換熱器的性能衰減主要為以下方程：

40、；

41、；

42、其中， q in為換熱量， s area為換熱面積， h gs為對(duì)流換熱系數(shù)， t _ban為換熱隔板溫度， t _hotgas為換熱流體， φ為換熱衰減系數(shù)， h ex為初始對(duì)流換熱系數(shù)。

43、優(yōu)選的，在步驟s2中，針對(duì)重整器的內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行多級(jí)建模，其中在重整器內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)有：

44、重整反應(yīng)：

45、?；

46、水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)：

47、?；

48、其中重整反應(yīng)假設(shè)初始時(shí)完全重整，即：

49、?；

50、其中， r sr為重整反應(yīng)速率， n fuel,in為燃料入口摩爾流量，為燃料入口甲烷濃度。

51、隨后考慮積碳影響設(shè)置重整速率隨時(shí)間逐漸降低，其中md（methanedecomposition?reaction）為甲烷裂解反應(yīng)，br（boundouard?reaction）為逆向布多阿爾反應(yīng)具體如下：

52、；

53、?；

54、?；

55、?；?；

56、其中，為重整反應(yīng)活性，為重整器入口摩爾流量，為入口甲烷含量，為熱導(dǎo)率，kbr、 k md為吸附系數(shù)，為積碳濃度（mol/m3）， r為反應(yīng)速率（mol/m3/s），分別是逆向布多阿爾反應(yīng)、甲烷裂解反應(yīng)的反應(yīng)速率， p為氣體壓力， m c為摩爾質(zhì)量（kg/mol）。

57、在步驟s2中其他部件的衰減建模暫不考慮，只考慮內(nèi)部組分、溫度、壓力的變化，依據(jù)s1進(jìn)行建模。

58、優(yōu)選的，在步驟s3中，結(jié)合電堆和各個(gè)部件的simulink模型將互相影響的變量進(jìn)行連接形成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減模型。

59、優(yōu)選的，在步驟s3中，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證，保證模型結(jié)果與實(shí)際誤差在10%以?xún)?nèi)。

60、混合驅(qū)動(dòng)的sofc系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)模型主要是基于sofc動(dòng)態(tài)衰減模型的模擬的大量不同工況下的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用多維時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，結(jié)合建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練和驗(yàn)證后得到sofc系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)模型。在步驟s3中，結(jié)合電堆和各個(gè)部件的simulink模型將互相影響的變量進(jìn)行連接形成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減模型；結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證，保證模型結(jié)果與實(shí)際誤差在10%以?xún)?nèi)。

61、優(yōu)選的，sofc系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)模型的建立過(guò)程中，利用sofc動(dòng)態(tài)衰減模型計(jì)算不同工況下的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，作為機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)集；對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行相關(guān)性分析，選出典型變量研究sofc系統(tǒng)和建立壽命預(yù)測(cè)模型。

62、優(yōu)選的，sofc電堆數(shù)據(jù)，選取前90%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，后10%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集；根據(jù)所劃分的區(qū)間，區(qū)間內(nèi)和區(qū)間之間比較的各模型訓(xùn)練開(kāi)始前都進(jìn)行隨機(jī)初始化。

63、優(yōu)選的，燃料電池壽命預(yù)測(cè)分兩個(gè)階段：學(xué)習(xí)-訓(xùn)練階段和預(yù)測(cè)-推理階段，具體流程如下：

64、①模型搭建：搭建各類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)；

65、②輸入訓(xùn)練集進(jìn)行模型學(xué)習(xí)：利用訓(xùn)練集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練；

66、③模型在驗(yàn)證集上進(jìn)行評(píng)價(jià)：訓(xùn)練的模型對(duì)驗(yàn)證集進(jìn)行推理，計(jì)算均方誤差、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差、平均絕對(duì)百分比誤差和決定系數(shù)等指標(biāo)用于綜合評(píng)價(jià)；

67、④調(diào)參：根據(jù)模型評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)；

68、⑤模型在測(cè)試集上預(yù)測(cè)最終結(jié)果：調(diào)優(yōu)后的模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行最終評(píng)估。

69、不同區(qū)間上分別對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，各模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用常用的平均絕對(duì)誤差mae、均方誤差mse、均方根誤差rmse、平均絕對(duì)百分比誤差mape以及決定系數(shù)r2，以多個(gè)角度綜合評(píng)判模型的預(yù)測(cè)性能，各誤差計(jì)算方式為：

70、；

71、；

72、；

73、；

74、；

75、其中， a為樣本數(shù)量， j為每個(gè)樣本中的具體值序號(hào)， y j為樣本序號(hào) j時(shí)真實(shí)值，為樣本序號(hào) j?時(shí)預(yù)測(cè)值，為樣本的真實(shí)值的平均值。

76、得到壽命預(yù)測(cè)模型后，需要對(duì)壽命預(yù)測(cè)模型的輸出與實(shí)際sofc系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果滿(mǎn)足誤差要求，則可確定壽命預(yù)測(cè)模型的精確性，如若不滿(mǎn)足精度要求，則需調(diào)整壽命預(yù)測(cè)模型的構(gòu)成，重新進(jìn)行訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，以滿(mǎn)足誤差要求后得到系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)模型。誤差滿(mǎn)足10%以?xún)?nèi)定義模型訓(xùn)練成功。

77、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

78、測(cè)試時(shí)間短，節(jié)省成本，相較于實(shí)際系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行實(shí)驗(yàn)而言，系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)通過(guò)模擬的方法便可以得到系統(tǒng)的預(yù)期設(shè)計(jì)壽命，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，加快了研發(fā)進(jìn)度；

79、為系統(tǒng)長(zhǎng)壽命運(yùn)行提供重要參考依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減模擬和壽命預(yù)測(cè)，可以清楚的分析bop部件對(duì)系統(tǒng)整個(gè)壽命的影響大小，為系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命運(yùn)行指明了方向；

80、準(zhǔn)確度較高，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，避開(kāi)了單次模擬可能存在偶然性的結(jié)果，使得結(jié)果具有普適性，準(zhǔn)確度較高。