高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(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氫化合物的化學能通過電化學反應直接轉化成電能的最有效的裝置之一。在實際應用中，高溫燃料電池往往與燃氣輪機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。
　　 本文建立了高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(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，設計工況

2、，變負荷策略、部分負荷性能，以及系統(tǒng)使用非設計燃料時的性能等進行了詳細的計算和分析。在變工況分析的基礎上，設計了詳細的混合動力系統(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，設計了詳細的啟動停車策略。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，本文設計加工了混合動力系統(tǒng)中的關鍵部件，如

3、利用渦輪增壓器改造的微型燃氣輪機、催化燃燒室、高溫換熱器等。采用了常壓熔融碳酸鹽燃料電池堆結合設計的其它部件搭建了國內(nèi)首個高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)原理性樣機試驗臺，對高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)進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-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)的實際開發(fā)和應用提供了必要的理論與實驗基礎，主要在以下幾個方面取得了一定的進展。
　　 (1)燃料電池及混合動力系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

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的傳熱學方程和電化學方程。利用壓氣機和渦輪的特性曲線建立了燃氣輪機的數(shù)學模型，利用能量守恒、質量守恒及氣體狀態(tài)方程建立了系統(tǒng)其它部件的數(shù)學模型。在建立的部件數(shù)學模型的基礎上建立了高溫燃料電池.燃氣輪機混合動力系統(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行了表征分析。設計了平板式高溫燃料電池的性能測試平臺。單電池電化學測試結果顯示陰極材料的燒結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。實驗結果用于驗證建立的數(shù)學模型。通過使用各種成分的燃料對燃料電池進行的性能測試結果顯示，高溫燃料電池可以使用低熱值氣

6、體，且能量轉化效率較高，是未來應用諸如生物質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.燃氣輪機混合動力系統(tǒng)的設計點性能、變工況策略、變工況性能以及該系統(tǒng)使用非設計燃料時的設計點變化和非設計工況性能均進行了詳細的計算分析。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-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)使用不同燃料時的適應性能也進行了詳細的分析。
　　 (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)的控制策略進行了詳細的設計，對各個控制參數(shù)進行了優(yōu)化設定。結合混合動力系統(tǒng)及高溫燃料電池的運行特點，設計了詳細的啟動停車控制策

8、略。利用系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型對混合動力系統(tǒng)的變負荷、啟動、停車等過渡過程進行了詳細的動態(tài)分析。動態(tài)仿真結果顯示本文設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)負荷變化、啟動、停車的控制。
　　 (5)高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力原理性樣機試驗臺的設計搭建
　　 設計搭建了高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)原理性樣機試驗臺，對混合動力系統(tǒng)主要部件分別進行了選型和設計，給出了詳細的啟動、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)進行了分析。
　　 本文搭建了我國第一個高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)原理性樣機實驗臺，驗證了高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)的可行性，同時也驗證了本文設計的系統(tǒng)中主要部件的可靠性。為今后開展相關方面的研究提供了必要的技術儲備和實際運行經(jīng)驗。但是由于燃料電池堆制備技術及實驗條件的限制，本文選用的高溫燃料電池和燃氣輪機參數(shù)匹配不佳導致了整個系統(tǒng)發(fā)電效率不高，沒有充分的體現(xiàn)出混合動力系統(tǒng)