高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)變工況性能分析與實(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中，高溫燃料電池往往與燃?xì)廨啓C(jī)等其它動(dòng)力裝置組成混合動(dòng)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(dòng)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(guó)重點(diǎn)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(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型。利用仿真模型對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的安全運(yùn)行區(qū)域，設(shè)計(jì)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(jì)燃料時(shí)的性能等進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和分析。在變工況分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略。考慮了系統(tǒng)在啟動(dòng)停車時(shí)需要解決的各種問題，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的啟動(dòng)停車策略。利用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型對(duì)各種過渡工況的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了計(jì)算分析。
　　 在實(shí)驗(yàn)方面，本文測(cè)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(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方面，本文設(shè)計(jì)加工了混合動(dòng)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(jī)、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(jì)的其它部件搭建了國(guó)內(nèi)首個(gè)高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理性樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本文所做的工作為今后高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用提供了必要的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，主要在以下幾個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展。
　　 (1)燃料電池及混合動(dòng)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(jī)和渦輪的特性曲線建立了燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真模型。
　　 (2)單體高溫燃料電池的研制及

5、其性能測(cè)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(duì)制備的電極材料和單電池進(jìn)行了表征分析。設(shè)計(jì)了平板式高溫燃料電池的性能測(cè)試平臺(tái)。單電池電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示陰極材料的燒結(jié)溫度對(duì)電池的性能影響較大。測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證建立的數(shù)學(xué)模型。通過使用各種成分的燃料對(duì)燃料電池進(jìn)行的性能測(cè)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(dòng)力系統(tǒng)安全運(yùn)行區(qū)域的確定及其性能研究
　　 利用混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型對(duì)高溫燃料電池.燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能、變工況策略、變工況性能以及該系統(tǒng)使用非設(shè)計(jì)燃料時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)變化和非設(shè)計(jì)工況性能均進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。首先分析了影響混合動(dòng)力系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素，利用仿真程序計(jì)算確定了混合動(dòng)力系統(tǒng)的安全運(yùn)行邊界。在得到的安全運(yùn)行

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

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

9、停車、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
　　 本文搭建了我國(guó)第一個(gè)高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理性樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證了高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)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(chǔ)備和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但是由于燃料電池堆制備技術(shù)及實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文選用的高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)匹配不佳導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率不高，沒有充分的體現(xiàn)出混合動(dòng)力系統(tǒng)