CN116187834A - Sofc电堆的综合性能评价方法 - Google Patents

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CN116187834A CN202310059671.4A CN202310059671A CN116187834A CN 116187834 A CN116187834 A CN 116187834A CN 202310059671 A CN202310059671 A CN 202310059671A CN 116187834 A CN116187834 A CN 116187834A
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蒋文春
陈旭谦
刘荣军
宋明
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张秀成
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王世学
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Abstract

本发明属于SOFC电堆性能评价技术领域，具体公开了一种SOFC电堆的综合性能评价方法。包括以下步骤：步骤1、确定电堆的所有的单项性能指标；步骤2、确定电堆的各单项性能指标的基准值；步骤3、对电堆的各单项性能指标进行分类；步骤4、构建电堆的类别性能对电堆的综合性能影响的权重因子G(i)；步骤5、构建电堆的单项性能指标对电堆的类别性能指标影响的权重因子g(j)；步骤6、建立与电堆的单项性能指标相关的电堆的综合性能评价函数；步骤7、建立电堆的各单项性能指标的评分函数；步骤8、对电堆的综合性能进行评价。本发明对SOFC电堆性能评价清楚、准确、全面，评价方法实用性强。

Description

SOFC电堆的综合性能评价方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆性能评价技术领域，尤其涉及一种SOFC电堆的综合性能评价方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是由全固体组分组成的燃料电池，将燃料与氧化剂之中的化学能直接转换成电能的发电装置。与其他燃料电池相比，固体氧化物燃料电池能源转换效率高，可以达到70％左右，燃料适用范围广，不仅可以利用氢气作为燃料，还可以利用甲烷、乙烷、合成气、甲醇、乙醇等各类碳氢化合物作为燃料，不产生NOx等污染物和噪音污染，无噪声、污染小、环境友好，且占地面积也较小，重量轻，被称为21世纪绿色能源转化技术。
SOFC热电联供系统是一种基于SOFC的既可供电又可供热的系统装置，可在民用、商用和工业热电联供以及分布式发电等领域作为清洁能源使用。SOFC热电联供系统的核心部件是SOFC电堆，该电堆不仅承担了发电的功能，还承担电堆的发热功能。电堆的性能直接决定了整个系统装置的发电功率、效率以及能量利用效率，也决定了整个系统的长期性能稳定性。因此，针对SOFC电堆的性能，建立可靠的评价方法对评价系统性能、验收SOFC电堆产品具有重要意义。
对于电堆而言，包括的性能指标很多，不同指标之间关系相互耦合，通过测试和评价电堆某一单项性能只能衡量电堆在该项性能方面的优劣，无法获得电堆的综合性能水平。因此，需要建立清楚的、评价准确全面的电堆综合性能评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SOFC电堆的综合性能评价方法，有效解决现有的评价方法不能基于多个性能参数全面评价电堆的综合性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种SOFC电堆的综合性能评价方法，包括以下步骤：
步骤1、确定电堆的所有的单项性能评价指标；
步骤2、确定电堆的各单项性能评价指标的基准值；所述基准值包括最低值和最优值，最低值是电堆该单项性能评价指标必须要达到的水平，即及格线水平，最优值表示电堆该单项性能评价指标达到该值为优秀水平；
步骤3、对电堆的所有的单项性能评价指标进行分类，分为i个类别性能评价指标；
步骤4、采用层次分析法构建电堆的类别性能评价指标对电堆的综合性能影响的权重因子G(i)；
具体构建方法如下：①依据类别性能评价指标之间的重要性，建立类别性能比较系数标度尺，确定中间层各类别性能评价指标之间的重要程度；②构建中间层各类别性能评价指标之间的比较判断矩阵，并对比较判断矩阵进行归一化分析；③求中间层各类别性能评价指标对综合性能的影响权重，并进行一致性检验；
i表示类别性能评价指标的个数，假设电堆的某个类别性能评价指标的得分为F(i)，则电堆的综合性能的得分函数为
Figure BDA0004061041080000021
步骤5、采用步骤4中所述层次分析法构建电堆的单项性能评价指标对电堆的类别性能评价指标影响的权重因子g(j)；
具体构建方法同步骤4中所述，j表示某类别性能评价指标所包括的单项性能评价指标的个数；
假设电堆某类别性能评价指标中的某单项性能评价指标得分为f(j)，则该类别性能评价指标的得分函数为
Figure BDA0004061041080000022
n(i)表示第i个类别性能评价指标中的单项性能评价指标的个数；
步骤6、建立与电堆的单项性能评价指标相关的电堆的综合性能评价函数，将步骤5中所得的类别性能评价指标的得分代入步骤4中所述综合性能的得分函数中，即可得到与电堆的单项性能评价指标相关的电堆的综合性能评价函数为
Figure BDA0004061041080000023
步骤7、建立电堆的各单项性能评价指标的评分函数；
具体步骤如下：①首先确定每个单项性能评价指标的基准值，所述基准值包括最低值和最优值，所述最低值和所述最优值分别定义为m和n；②确定每个单项性能的优良与该单项性能评价指标的数值的单调性；若单项性能评价指标的数值越低，单项性能越好，表示该单项性能为单调递减性；反之，若单项性能评价指标的数值越高，单项性能越好，表示该单项性能为单调递增性；③确定评分函数类型和关键参数值；在此，定义处于最低值及以下的单项性能评价指标的得分为60分，处于最优值及以上的单项性能评价指标的得分为100分，对于单调递减的单项性能评价指标，采用cos评价函数；对于单调递增的单项性能评价指标，采用sin评价函数；④建立单项性能评价指标的评分函数；
对于单调递减的单项性能评价指标，评分函数为：
Figure BDA0004061041080000024
对于单调递增的单项性能评价指标，评分函数为：
Figure BDA0004061041080000031
步骤8、对电堆的综合性能进行评价；
通过出厂参数或测试电堆的单项性能，获得电堆各单项性能评价指标参数值，将各所述参数值输入步骤6中所得的电堆的综合性能评价函数中，即获得电堆的综合性能的评分值。
进一步地，步骤1中所述单项性能评价指标包括开路电压、片均面比电阻、片均电压一致性、质量比功率、体积比功率、额定电流下功率密度、发电效率、燃料利用率、内部重整转化率、稳定运行衰减率、预期寿命、热启动时间、冷热循环衰减率、冷热循环次数、标准漏气率、单位功率体积、单位功率质量、单位功率成本。
进一步地，步骤3中所述类别性能评价指标共计9个，包括：基本性能、发电性能、效率性能、稳态耐久性能、动态耐久性能、启动性能、安全性能、紧凑性能和经济性能。
进一步地，根据步骤7中所述单项性能评价指标的评分函数得到单项性能评价指标的得分值，判断各单项性能是否满足该单项性能基准值的要求，若某一项性能不满足要求，则判断电堆制造不合格。
进一步地，对于电堆的所有的单项性能均满足基准值的电堆，根据步骤5中所述类别性能评价指标的得分函数获得各类别性能的得分值，与各类别性能的基准值得分(65分)进行对比，判断是否满足要求，若该项类别性能不满足要求，则判断电堆的该项类别性能不合格。
进一步地，根据步骤6所述电堆的综合性能评价函数，获得电堆的综合性能得分，判断是否满足综合性能的基准值得分(65分)，若满足，则电堆的综合性能合格。
进一步地，根据电堆的综合性能得分，判断电堆的综合性能优良等级，若综合性能得分大于90，则电堆的综合性能为优秀水平，若综合性能得分大于80小于90，则电堆的综合性能为良好水平，若综合性能得分大于70小于80，则电堆的综合性能为中等水平，若综合性能得分大于65，则电堆的综合性能为及格水平。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过建立单项性能评价指标的评分函数、类别性能评价指标的得分函数和与单项性能评价指标相关的综合性能评价函数，能够在对各个层面性能指标进行详细确定说明的同时，对SOFC电堆的综合性能进行评价，评价过程清楚、结果准确，内容全面，涵盖了电堆的所有单项性能，评价方法实用性强。另外，本发明能够对不同燃料类型的电堆进行评价，适用范围广。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明，应当注意，以下示例并非是对本发明的限制，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
实施例1
某平板式阳极支撑型电堆(A号)的单项性能评价指标包括：开路电压、片均面比电阻、片均电压一致性、质量比功率、体积比功率、额定电流下功率密度、发电效率、燃料利用率、内部重整转化率、稳定运行衰减率、预期寿命、热启动时间、冷热循环衰减率、冷热循环次数、标准漏气率、单位功率体积、单位功率质量、单位功率成本等。测试评价的燃料类型为氢气，额定电流为0.3A/cm2。首先确定每一个单项性能评价指标的基准值，所述基准值包括最低值和最优值，并将各单项性能评价指标划分为9大类别性能，各单项性能评价指标的基准值如下表1所示。
表1各单项性能评价指标的基准值
Figure BDA0004061041080000041
Figure BDA0004061041080000051
采用层级分析法构建SOFC电堆的类别性能对电堆的综合性能影响的权重因子，具体步骤如下：①依据类别性能评价指标之间的重要性，建立中间层类别性能比较系数标度尺。若性能A与性能B同等重要，则性能A与性能B的比较系数取1；若性能A与性能B相比稍微重要，则性能A与性能B的比较系数取3；若性能A与性能B相比较强重要，则性能A与性能B的比较系数取5；若性能A与性能B相比强烈重要，则性能A与性能B的比较系数取7；若性能A与性能B相比极端重要，则性能A与性能B的比较系数取9。若性能A与性能B的重要性处于重要性等级之间，则性能A与性能B的比较系数取两相邻重要性等级比较系数的中间值，例如，性能A与性能B相比，其重要性介于稍微重要与较强重要之间，则性能A与性能B的比较系数取4。各性能等级的比较系数标度尺如下表2所示。
表2各性能等级的比较系数标度尺
Figure BDA0004061041080000052
②确定中间层各类别性能评价指标之间的重要程度，将各类别性能评价指标按重要程度从高到低排序，重要性排序如下：基本性能>发电性能>安全性能>效率性能>稳态耐久性能>动态耐久性能>启动性能>经济性能>紧凑性能。即，对基本性能来说，其与安全性能相比，为稍微重要，与启动性能相比，是强烈重要的，与紧凑性能相比，是极端重要的。
③依据中间层各类别性能评价指标之间的重要程度，基于各性能等级的比较系数标度尺，构建中间层各类别性能评价指标之间的比较判断矩阵，各类别性能评价指标之间两两成对比较，获得各类别性能评价指标之间的比较判断矩阵如下表3所示。
表3各类别性能评价指标之间的比较判断矩阵
Figure BDA0004061041080000053
Figure BDA0004061041080000061
④对比较判断矩阵进行归一化分析。具体方法为将上表中每一列相加，求出总和，再用每一个数值除以该列的总和值，得出归一化后的比较判断矩阵如下表4所示，据表可知，每一列数相加和为1。
表4归一化后的比较判断矩阵
Figure BDA0004061041080000062
⑤求中间层各类别性能评价指标对综合性能的影响权重。对归一化后的比较判断矩阵表中每一行所有数值求平均值，该平均值即为每一个类别性能评价指标对综合性能的影响权重，获得各类别性能评价指标对综合性能的影响权重如下表5所示。
表5各类别性能评价指标对综合性能的影响权重
Figure BDA0004061041080000063
⑥一致性检验。采用一致性检验方法判断所述比较判断矩阵是否是一致矩阵，判断该矩阵是否存在逻辑矛盾。
首先根据最大特征根λmax和阶数n计算出一致性指标CI，如公式(2)所示。其中最大特征根λmax根据公式(1)计算，阶数为类别性能个数9；而后根据一致性指标CI和随机一致性指标RI计算出一致性因子CR，如公式(3)所示，其中随机一致性指标RI根据表6确定。若CR小于0.1，则一致性检验通过，层次分析合理。
根据上述分析值，求得一致性因子CR为0.02957<0.1，层次分析合理。
表6不同阶数对应下的随机一致性指标RI
矩阵阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49
Figure BDA0004061041080000071
/>
Figure BDA0004061041080000072
Figure BDA0004061041080000073
⑦建立基于中间层各类别性能评价指标的最高层的综合性能评价函数，假设基本性能、发电性能、安全性能、效率性能、稳态耐久性能、动态耐久性能、启动性能、经济性能、紧凑性能的评分值分别为F(1)、F(2)、F(3)、F(4)、F(5)、F(6)、F(7)、F(8)、F(9)，则综合性能评价函数为
Figure BDA0004061041080000074
Figure BDA0004061041080000075
Figure BDA0004061041080000076
采用上述同样的方法得到最低层各单项性能评价指标对中间层各类别性能评价指标的权重因子g(j)，j表示某类别性能评价指标所包括的单项性能评价指标的个数；假设电堆某类别性能评价指标中的某单项性能评价指标得分为f(j)，则该类别性能评价指标的得分函数为
Figure BDA0004061041080000077
Figure BDA0004061041080000078
其中，n(i)表示第i个类别性能评价指标中的单项性能评价指标的个数。
基于最高层与中间层、中间层与最低层的函数关系，即可获得最高层与最低层之间的函数关系如下：
Figure BDA0004061041080000079
得到各个类别性能的权重系数、各个单项性能对类别性能的权重系数以及各个单项性能对综合性能的权重系数如下表7所示。
表7权重系数
Figure BDA0004061041080000081
依据电堆的各单项性能评价指标的单调性，建立电堆各单项性能评价指标的评分函数，其中m为单项性能评价指标的最低值，n为单项性能评价指标的最优值；如下表8所示。
表8各单项性能评价指标的评分函数
Figure BDA0004061041080000082
/>
Figure BDA0004061041080000091
/>
Figure BDA0004061041080000101
综上，根据上述方法，通过测试或出厂数据等手段获得A号电堆的开路电压为1.15V，片均面比电阻为0.3Ω·cm2@750℃，片均电压一致性为60mV@0.3A/cm2，质量比功率为42W/kg@0.8V，体积比功率为110W/L@0.8V，额定电流下功率密度为0.35W/cm2，发电效率为55％，燃料利用率为75％，内部重整转化率为70％，稳定运行衰减率为1.4％/kh，预期寿命为45000h，热启动时间为40min，冷热循环衰减率为0.2％/次，冷热循环次数为60次，标准漏气率为0.07sccm，单位功率体积为9L/kW，单位功率质量为22kg/kW，单位功率成本为7000元/kW。
基于本发明提供的SOFC电堆的综合性能评价方法首先得到各个单项性能评价指标的得分值，均超过70分，达到了中等水平，各单项性能评价指标满足要求；而后获得该电堆的各类别性能的得分值，其基本性能为91.18分、发电性能为80.00分、效率性能为83.31分、稳态耐久性能为71.22分、启动性能为79.99分、动态耐久性能为87.22分、安全性能为92.36分、紧凑性能为89.10分、经济性能为88.28分。
可以看出，该电堆的基本性能和安全性能表现优秀，发电性能、效率性能、动态耐久性能、紧凑性能和经济性能均表现良好，气动性能表现中等，稳态耐久性能虽然最差但也达到了中等水平。稳态耐久性能、启动性能和效率性能有待于进一步提高，各类别性能评价指标均满足要求。进而，根据电堆的综合性能评价函数得到本实施例电堆的综合性能得分为84.14分，电堆综合性能表现良好。
本发明通过建立单项性能评价指标的评分函数、类别性能评价指标的得分函数和与单项性能评价指标相关的综合性能评价函数，能够在对各个层面性能指标进行详细确定说明的同时，对SOFC电堆的综合性能进行评价，评价过程清楚、结果准确，内容全面，涵盖了电堆的所有单项性能，评价方法实用性强。另外，本发明能够对不同燃料类型的电堆进行评价，适用范围广。

Claims (7)

1.一种SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定电堆的所有的单项性能评价指标；
步骤2、确定电堆的各单项性能评价指标的基准值；所述基准值包括最低值和最优值，最低值是电堆该单项性能评价指标必须要达到的水平，即及格线水平，最优值表示电堆该单项性能评价指标达到该值为优秀水平；
步骤3、对电堆的所有的单项性能评价指标进行分类，分为i个类别性能评价指标；
步骤4、采用层次分析法构建电堆的类别性能评价指标对电堆的综合性能影响的权重因子G(i)；
具体构建方法如下：①依据类别性能评价指标之间的重要性，建立类别性能比较系数标度尺，确定中间层各类别性能评价指标之间的重要程度；②构建中间层各类别性能评价指标之间的比较判断矩阵，并对比较判断矩阵进行归一化分析；③求中间层各类别性能评价指标对综合性能的影响权重，并进行一致性检验；
i表示类别性能评价指标的个数，假设电堆的某个类别性能评价指标的得分为F(i)，则电堆的综合性能的得分函数为
Figure FDA0004061041070000011
步骤5、采用步骤4中所述层次分析法构建电堆的单项性能评价指标对电堆的类别性能评价指标影响的权重因子g(j)；
具体构建方法同步骤4中所述，j表示某类别性能评价指标所包括的单项性能评价指标的个数；
假设电堆某类别性能评价指标中的某单项性能评价指标得分为f(j)，则该类别性能评价指标的得分函数为
Figure FDA0004061041070000012
n(i)表示第i个类别性能评价指标中的单项性能评价指标的个数；
步骤6、建立与电堆的单项性能评价指标相关的电堆的综合性能评价函数，将步骤5中所得的类别性能评价指标的得分代入步骤4中所述综合性能的得分函数中，即可得到与电堆的单项性能评价指标相关的电堆的综合性能评价函数为
Figure FDA0004061041070000013
步骤7、建立电堆的各单项性能评价指标的评分函数；
具体步骤如下：①首先确定每个单项性能评价指标的基准值，所述基准值包括最低值和最优值，所述最低值和所述最优值分别定义为m和n；②确定每个单项性能的优良与该单项性能评价指标的数值的单调性；若单项性能评价指标的数值越低，单项性能越好，表示该单项性能为单调递减性；反之，若单项性能评价指标的数值越高，单项性能越好，表示该单项性能为单调递增性；③确定评分函数类型和关键参数值；在此，定义处于最低值及以下的单项性能评价指标的得分为60分，处于最优值及以上的单项性能评价指标的得分为100分，对于单调递减的单项性能评价指标，采用cos评价函数；对于单调递增的单项性能评价指标，采用sin评价函数；④建立单项性能评价指标的评分函数；
对于单调递减的单项性能评价指标，评分函数为：
Figure FDA0004061041070000021
对于单调递增的单项性能评价指标，评分函数为：
Figure FDA0004061041070000022
步骤8、对电堆的综合性能进行评价；
通过出厂参数或测试电堆的单项性能，获得电堆各单项性能评价指标参数值，将各所述参数值输入步骤6中所得的电堆的综合性能评价函数中，即获得电堆的综合性能的评分值。
2.根据权利要求1所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，步骤1中所述单项性能评价指标包括开路电压、片均面比电阻、片均电压一致性、质量比功率、体积比功率、额定电流下功率密度、发电效率、燃料利用率、内部重整转化率、稳定运行衰减率、预期寿命、热启动时间、冷热循环衰减率、冷热循环次数、标准漏气率、单位功率体积、单位功率质量、单位功率成本。
3.根据权利要求2所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，步骤3中所述类别性能评价指标共计9个，包括：基本性能、发电性能、效率性能、稳态耐久性能、动态耐久性能、启动性能、安全性能、紧凑性能和经济性能。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，根据步骤7中所述单项性能评价指标的评分函数得到单项性能评价指标的得分值，判断各单项性能是否满足该单项性能基准值的要求，若某一项性能不满足要求，则判断电堆制造不合格。
5.根据权利要求4所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，对于电堆的所有的单项性能均满足基准值的电堆，根据步骤5中所述类别性能评价指标的得分函数获得各类别性能的得分值，与各类别性能的基准值得分(65分)进行对比，判断是否满足要求，若该项类别性能不满足要求，则判断电堆的该项类别性能不合格。
6.根据权利要求5所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，根据步骤6所述电堆的综合性能评价函数，获得电堆的综合性能得分，判断是否满足综合性能的基准值得分(65分)，若满足，则电堆的综合性能合格。
7.根据权利要求6所述的SOFC电堆的综合性能评价方法，其特征在于，根据电堆的综合性能得分，判断电堆的综合性能优良等级，若综合性能得分大于90，则电堆的综合性能为优秀水平，若综合性能得分大于80小于90，则电堆的综合性能为良好水平，若综合性能得分大于70小于80，则电堆的综合性能为中等水平，若综合性能得分大于65，则电堆的综合性能为及格水平。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116485211A (zh) * 2023-06-16 2023-07-25 中国石油大学(华东) 电池堆综合性能评价多准则决策方法
CN116611744A (zh) * 2023-07-17 2023-08-18 中国石油大学(华东) 一种用于sofc热电联供系统综合评价的综合赋权方法
CN116879783A (zh) * 2023-06-21 2023-10-13 中国石油大学(华东) Sofc电堆运行寿命的冷热循环加速测试方法

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