燃料電池作為一種高效率、低排放的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過電化學(xué)反映將存儲(chǔ)在燃料(如氫氣、甲烷)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。其中，中溫固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)以其全固體結(jié)構(gòu)、良好的燃料適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，并且發(fā)電效率可達(dá)60％以上，通過CHP(熱電聯(lián)產(chǎn))回收能量效率達(dá)到90％以上，是當(dāng)今最具發(fā)展前景的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，SOFC技術(shù)在材料、電堆制造、系統(tǒng)集成等方面已經(jīng)逐漸走向成熟，許多公司也成功地展示了SOFC系統(tǒng)，但壽命較短的問題仍然是阻礙著其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

影響SOFC系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素主要有三點(diǎn)：首先是SOFC電堆的固有特性，如材料和加工工藝讓電堆自身所具有的性能，其在理想工況下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基礎(chǔ)的自然衰減，其次是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所應(yīng)用的操作點(diǎn)并非最優(yōu)，導(dǎo)致了系統(tǒng)的自然衰減加速，第三則是在長(zhǎng)期運(yùn)行中，控制系統(tǒng)未能識(shí)別系統(tǒng)衰減累積導(dǎo)致的系統(tǒng)輸入輸出特性變化，控制參數(shù)不匹配當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，控制率失調(diào)，進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)工作狀態(tài)惡化，加速系統(tǒng)的自然衰減。以上三個(gè)因素的疊加導(dǎo)致SOFC系統(tǒng)衰減速率加大，系統(tǒng)壽命大幅下降。

 一方面，系統(tǒng)衰減是必然的，然而系統(tǒng)當(dāng)前的健康狀態(tài)是難以觀測(cè)的，系統(tǒng)的狀態(tài)通常都是隨著時(shí)間越來越差直至故障停機(jī)，而系統(tǒng)衰減會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響，輕則消耗更多的燃料，難以達(dá)到額定功率或溫度，重則系統(tǒng)控制失效，導(dǎo)致系統(tǒng)電堆發(fā)生不可逆的損壞而無法正常工作。另一方面，系統(tǒng)中電堆等主要部件衰減到一定程度時(shí)需要更換，而這些部件本身的成本較高，每次更換都會(huì)帶來較大的損失，衰減的不可控甚至快速衰減會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本帶來極大的負(fù)擔(dān)。而系統(tǒng)衰減中以電堆衰減為主要影響因素。

電堆的工作溫度處于700攝氏度以上的高溫，且燃料利用率不足時(shí)發(fā)生的燃料虧空會(huì)對(duì)內(nèi)部材料性能造成不可逆的影響，故電堆的健康狀態(tài)與其自身溫度及電堆的燃料利用率高度相關(guān)。而目前的控制器又因沒有良好的參考軌跡而難以有效控制電堆平均溫度、電堆最大溫度梯度、燃料利用率這三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量。

因此，如何獲得系統(tǒng)電堆關(guān)鍵狀態(tài)量的最優(yōu)工作區(qū)間，使得對(duì)電堆衰減的影響最小，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)壽命控制的關(guān)鍵所在。目前關(guān)于控制研究主要都是針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定的系統(tǒng)，但是衰減會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)特性發(fā)生變化，原有的控制率將不適合衰減后的系統(tǒng)，導(dǎo)致控制不匹配甚至失效。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種提高SOFC系統(tǒng)壽命的控制優(yōu)化方法和系統(tǒng)，其目的在于解決現(xiàn)有健康狀態(tài)難以獲取，且難以有效降低系統(tǒng)衰減速率，導(dǎo)致系統(tǒng)壽命快速降低的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種提高SOFC系統(tǒng)壽命的控制優(yōu)化方法，該方法包括：

(S1)將SOFC系統(tǒng)的輸入作為決策變量，即一組操作點(diǎn)，將SOFC系統(tǒng)效率最大作為優(yōu)化目標(biāo)，求得不同目標(biāo)功率、不同目標(biāo)關(guān)鍵狀態(tài)量下，能使系統(tǒng)滿足溫度約束、效率最大且滿足目標(biāo)功率的最優(yōu)操作點(diǎn)；

(S2)向SOFC系統(tǒng)衰減模型輸入最優(yōu)操作點(diǎn)集合，獲得衰減模型在不同輸入的情況下，系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量及輸出數(shù)據(jù)，三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量包含電堆平均溫度、電堆最大溫度梯度、燃料利用率，輸出數(shù)據(jù)包含衰減速率、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；

(S3)根據(jù)所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)，在不同目標(biāo)功率下，構(gòu)建衰減速率與三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間之間一對(duì)四的關(guān)系模型；

(S4)根據(jù)所構(gòu)建的關(guān)系模型，計(jì)算獲得在不同目標(biāo)功率下，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間變化，三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量對(duì)系統(tǒng)衰減影響最小的最優(yōu)參考值；

(S5)基于三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量隨時(shí)間變化的最優(yōu)參考值對(duì)實(shí)際SOFC系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化；SOFC系統(tǒng)衰減模型為電堆部分的電特性機(jī)理中加入系統(tǒng)輸入、時(shí)間與電堆衰減電壓的關(guān)系；系統(tǒng)輸入、時(shí)間與電堆衰減電壓的關(guān)系通過預(yù)訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得到，預(yù)訓(xùn)練過程中模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為SOFC歷史系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，輸出為對(duì)應(yīng)的電堆衰減電壓。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，能夠取得以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明首先通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練歷史數(shù)據(jù)，得到系統(tǒng)輸入、時(shí)間與衰減電壓的關(guān)系，并結(jié)合過往的機(jī)理模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)?機(jī)理結(jié)合的固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)衰減模型；其次，利用該模型獲得長(zhǎng)時(shí)間尺度下的數(shù)據(jù)，獲得不同目標(biāo)功率下，三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量在不同情況下對(duì)應(yīng)的衰減速率，從中選取衰減速率處于較優(yōu)區(qū)間時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵狀態(tài)量的取值范圍，即可作為三個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量的最優(yōu)工作區(qū)間。通過優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)這些關(guān)鍵狀態(tài)量進(jìn)行有效的控制，可保證對(duì)衰減的影響是最小的，使SOFC系統(tǒng)始終在最優(yōu)的工作狀態(tài)下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽且高效的控制。給固體氧化物燃料電池長(zhǎng)壽高效的控制提供了有效的依據(jù)，適用于實(shí)際工程的應(yīng)用。