高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)變工況性能分析與實驗研究.pdf

1、高溫燃料電池是一種將碳?xì)浠衔锏幕瘜W(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的最有效的裝置之一。在實際應(yīng)用中，高溫燃料電池往往與燃?xì)廨啓C等其它動力裝置組成混合動力系統(tǒng)以更充分的利用其高溫排氣而獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率。近年來，高溫燃料電池混合動力系統(tǒng)在清潔、高效分布式發(fā)電領(lǐng)域中越來越受到人們的重視，成為各國重點發(fā)展的新能源技術(shù)。
　　 本文建立了高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的仿真模型。利用仿真模型對混合動力系統(tǒng)的安全運行區(qū)域，設(shè)計工況

2、，變負(fù)荷策略、部分負(fù)荷性能，以及系統(tǒng)使用非設(shè)計燃料時的性能等進(jìn)行了詳細(xì)的計算和分析。在變工況分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了詳細(xì)的混合動力系統(tǒng)控制策略?？紤]了系統(tǒng)在啟動停車時需要解決的各種問題，設(shè)計了詳細(xì)的啟動停車策略。利用系統(tǒng)的動態(tài)模型對各種過渡工況的動態(tài)性能進(jìn)行了計算分析。
　　 在實驗方面，本文測試了自行研制的平板單體高溫燃料電池在不同工作溫度、不同燃料成分下的性能。在混合動力系統(tǒng)的實驗方面，本文設(shè)計加工了混合動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，如

3、利用渦輪增壓器改造的微型燃?xì)廨啓C、催化燃燒室、高溫?fù)Q熱器等。采用了常壓熔融碳酸鹽燃料電池堆結(jié)合設(shè)計的其它部件搭建了國內(nèi)首個高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)原理性樣機試驗臺，對高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)進(jìn)行了初步的實驗研究。
　　 本文所做的工作為今后高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的實際開發(fā)和應(yīng)用提供了必要的理論與實驗基礎(chǔ)，主要在以下幾個方面取得了一定的進(jìn)展。
　　 (1)燃料電池及混合動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

4、
　　 采用容阻特性建模的方法分別建立了目前技術(shù)比較成熟的兩種不同形式的高溫固體氧化物燃料電池(管式和平板式)的一維分布參數(shù)模型。在建模過程中考慮了詳細(xì)的傳熱學(xué)方程和電化學(xué)方程。利用壓氣機和渦輪的特性曲線建立了燃?xì)廨啓C的數(shù)學(xué)模型，利用能量守恒、質(zhì)量守恒及氣體狀態(tài)方程建立了系統(tǒng)其它部件的數(shù)學(xué)模型。在建立的部件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了高溫燃料電池.燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真模型。
　　 (2)單體高溫燃料電池的研制及

5、其性能測試
　　 研究制備了平板單體高溫固體氧化物燃料電池，分別采用了X射線衍射(XRD)、掃描電鏡分析(SEM)對制備的電極材料和單電池進(jìn)行了表征分析。設(shè)計了平板式高溫燃料電池的性能測試平臺。單電池電化學(xué)測試結(jié)果顯示陰極材料的燒結(jié)溫度對電池的性能影響較大。測試了單電池在不同的工作溫度，不同的燃料成分下的性能曲線。實驗結(jié)果用于驗證建立的數(shù)學(xué)模型。通過使用各種成分的燃料對燃料電池進(jìn)行的性能測試結(jié)果顯示，高溫燃料電池可以使用低熱值氣

6、體，且能量轉(zhuǎn)化效率較高，是未來應(yīng)用諸如生物質(zhì)氣等低熱值氣體的一條新的途徑。
　　 (3)混合動力系統(tǒng)安全運行區(qū)域的確定及其性能研究
　　 利用混合動力系統(tǒng)仿真模型對高溫燃料電池.燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的設(shè)計點性能、變工況策略、變工況性能以及該系統(tǒng)使用非設(shè)計燃料時的設(shè)計點變化和非設(shè)計工況性能均進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析。首先分析了影響混合動力系統(tǒng)安全運行的主要因素，利用仿真程序計算確定了混合動力系統(tǒng)的安全運行邊界。在得到的安全運行

7、區(qū)域內(nèi)，提出了三種不同的變工況運行策略，分析了不同運行策略對系統(tǒng)及部件性能的影響。燃料適應(yīng)性強是高溫燃料電池的主要優(yōu)點之一，本文利用仿真模型對高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)使用不同燃料時的適應(yīng)性能也進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　 (4)混合動力系統(tǒng)控制策略的研究及其動態(tài)性能分析
　　 對混合動力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，對各個控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)定。結(jié)合混合動力系統(tǒng)及高溫燃料電池的運行特點，設(shè)計了詳細(xì)的啟動停車控制策

8、略。利用系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型對混合動力系統(tǒng)的變負(fù)荷、啟動、停車等過渡過程進(jìn)行了詳細(xì)的動態(tài)分析。動態(tài)仿真結(jié)果顯示本文設(shè)計的控制策略可以安全平穩(wěn)的對混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)負(fù)荷變化、啟動、停車的控制。
　　 (5)高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力原理性樣機試驗臺的設(shè)計搭建
　　 設(shè)計搭建了高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)原理性樣機試驗臺，對混合動力系統(tǒng)主要部件分別進(jìn)行了選型和設(shè)計，給出了詳細(xì)的啟動、停車和運行步驟，得到了該系統(tǒng)在啟動、

9、停車、穩(wěn)定運行時的實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
　　 本文搭建了我國第一個高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)原理性樣機實驗臺，驗證了高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的可行性，同時也驗證了本文設(shè)計的系統(tǒng)中主要部件的可靠性。為今后開展相關(guān)方面的研究提供了必要的技術(shù)儲備和實際運行經(jīng)驗。但是由于燃料電池堆制備技術(shù)及實驗條件的限制，本文選用的高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C參數(shù)匹配不佳導(dǎo)致了整個系統(tǒng)發(fā)電效率不高，沒有充分的體現(xiàn)出混合動力系統(tǒng)