固體氧化物燃料電池及其混合系統(tǒng)的多級建模與仿真研究.pdf

1、固體氧化物燃料(SOFC)是一種具有高發(fā)電效率和低污染排放的先進發(fā)電裝置，它適應了經濟可持續(xù)發(fā)展的需求，對于緩解當前及未來全球能源和環(huán)境問題方面將發(fā)揮著重要的作用，被認為是將來替代傳統(tǒng)熱機發(fā)電的先進發(fā)電方式之一。建模和仿真是目前開展SOFC及其混合系統(tǒng)研究的最重要途徑和方法之一。
　　本文首先給出了SOFC的發(fā)電機理、堆氣流流道設計技術和燃料處理技術。對一雙電解質層SOFC單電池的發(fā)電特性進行實驗研究，獲得了SOFC發(fā)電過程中極化

2、損失的特征曲線，實驗研究了SOFC在不同負載和溫度條件下活化極化、濃度極化和歐姆極化對電池發(fā)電性能的影響。
　　以燃料電池的完整極化電化學數(shù)學模型為基礎，對固體氧化物燃料電池進行了三維數(shù)值建模。應用建立的數(shù)值模型分別對國際能源協(xié)會(IEA)板式SOFC和西門子西屋公司管式SOFC進行了數(shù)值模擬，通過將N-S流動控制方程、電勢方程與電化學數(shù)學模型方程耦合求解而得到燃料電池內部溫度、電流密度、電壓和組分濃度的分布特征。數(shù)值模擬結果分別

3、與IEA給出的板式SOFC基準值和管式SOFC實驗值的比較結果表明了所建立的數(shù)值模型具有良好的精度。以數(shù)值模擬結果為基礎分析了板式和管式SOFC的發(fā)電特性和發(fā)熱特性，結果表明，板式SOFC的電壓損失主要來自于電解質層的歐姆損失和電化學反應的活化極化，而對于管式SOFC，陰極歐姆損失占總電壓損失的比例最大，其次為活化極化損失。在板式SOFC中，歐姆熱的分布主要依賴于電流密度分布，而管式SOFC的歐姆熱則主要產生于陰極。并且，管式燃料電池的

4、歐姆熱在總發(fā)熱量中所占的百分比比板式SOFC高。
　　提出應用函數(shù)擬合方法建立了面向控制的非線性SOFC動態(tài)模型。擬合函數(shù)采用指數(shù)衰減函數(shù)(ExponentialDecayFunction)和指數(shù)伴隨函數(shù)(ExponentialAssociationFunction)對燃料電池內部狀態(tài)變量在沿氣流方向上的分布特性進行擬合，擬合數(shù)據(jù)由數(shù)值模擬結果提供。在動態(tài)模型中，SOFC狀態(tài)變量的幾何分布特性由擬合函數(shù)的特征參數(shù)表征。借助于SIM

5、ULINK仿真工具對一順流板式SOFC進行了動態(tài)仿真，結果表明模型具有較好精度和適用性，能準確捕捉SOFC狀態(tài)變量及其發(fā)電特性的響應過程。
　　根據(jù)質量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒方程，建立了基于SOFC和燃氣輪機(GT)混合系統(tǒng)的動態(tài)模型。建模過程采用模塊化方法，在混合系統(tǒng)中不同部件節(jié)點上，根據(jù)部件工作特性而分別計算守恒方程源項。該模型對于混合系統(tǒng)的設計和分析具有通用性的特點。模型借助于AspenCustomModeler仿

6、真平臺編程實現(xiàn)，并通過一空氣再熱式混合系統(tǒng)對模型進行了驗證。應用建立的混合系統(tǒng)動態(tài)模型，分別對回熱式(RHE)空氣再熱和回流式(EGR)空氣再熱的SOFC/GT混合系統(tǒng)進行了仿真和分析比較。研究結果表明，EGR混合循環(huán)的系統(tǒng)最優(yōu)效率比RHE混合系統(tǒng)效率更高，相對于RHE系統(tǒng)來說，EGR系統(tǒng)具有更高的最優(yōu)壓比。兩種循環(huán)中SOFC的發(fā)電效率均與燃料利用率和氧氣利用率成反比，而系統(tǒng)總效率則與燃料利用率和氧氣利用率成正比。RHE系統(tǒng)總效率隨SO

7、FC空氣入口溫度上升而下降，但EGR正好相反，其系統(tǒng)總效率與SOFC空氣入口溫度成正比。燃氣輪機部件中透平性能好壞對混合系統(tǒng)的效率影響最大，其次為壓氣機和回熱器。仿真研究表明RHE系統(tǒng)效率受燃氣輪機各部件的影響比EGR循環(huán)大。
　　采用滾動時域狀態(tài)估計器(MHE)對模型方程的狀態(tài)變量進行估計，將NMPC算法引入到SOFC的應用中，其中選擇電流密度、燃料流量和空氣流量為控制變量，SOFC輸出功率、燃料利用率和工作溫度為被控制變量。建

8、立的SOFC控制模型在MATLAB中編程實現(xiàn)，對一板式SOFC進行了仿真，仿真過程中人工添加輸出隨機擾動變量。仿真結果表明MHE能準確的估計對象的狀態(tài)變量，在過濾隨機噪音方面表現(xiàn)良好。設計的SOFC控制器能根據(jù)被控制變量的變化軌跡而作出迅速響應?？刂破髟谔幚鞸OFC的目標值與邊界約束發(fā)生沖突時表現(xiàn)良好，當目標與約束發(fā)生沖突時，控制器能給出最接近于目標的控制輸入。
　　本文工作對于推進SOFC研究和應用具有重要意義，可以為SOFC堆