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(jìn)發(fā)電裝置，它適應(yīng)了經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求，對于緩解當(dāng)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(rèn)為是將來替代傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電的先進(jìn)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(jī)理、堆氣流流道設(shè)計(jì)技術(shù)和燃料處理技術(shù)。對一雙電解質(zhì)層SOFC單電池的發(fā)電特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了SOFC發(fā)電過程中極化

2、損失的特征曲線，實(shí)驗(yàn)研究了SOFC在不同負(fù)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(xué)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對固體氧化物燃料電池進(jìn)行了三維數(shù)值建模。應(yīng)用建立的數(shù)值模型分別對國際能源協(xié)會(huì)(IEA)板式SOFC和西門子西屋公司管式SOFC進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過將N-S流動(dòng)控制方程、電勢方程與電化學(xué)數(shù)學(xué)模型方程耦合求解而得到燃料電池內(nèi)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(jié)果分別

3、與IEA給出的板式SOFC基準(zhǔn)值和管式SOFC實(shí)驗(yàn)值的比較結(jié)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(jié)果為基礎(chǔ)分析了板式和管式SOFC的發(fā)電特性和發(fā)熱特性，結(jié)果表明，板式SOFC的電壓損失主要來自于電解質(zhì)層的歐姆損失和電化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)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(yīng)用函數(shù)擬合方法建立了面向控制的非線性SOFC動(dòng)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(nèi)部狀態(tài)變量在沿氣流方向上的分布特性進(jìn)行擬合，擬合數(shù)據(jù)由數(shù)值模擬結(jié)果提供。在動(dòng)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(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明模型具有較好精度和適用性，能準(zhǔn)確捕捉SOFC狀態(tài)變量及其發(fā)電特性的響應(yīng)過程。
　　根據(jù)質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，建立了基于SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)(GT)混合系統(tǒng)的動(dòng)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(diǎn)上，根據(jù)部件工作特性而分別計(jì)算守恒方程源項(xiàng)。該模型對于混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析具有通用性的特點(diǎn)。模型借助于AspenCustomModeler仿

6、真平臺編程實(shí)現(xiàn)，并通過一空氣再熱式混合系統(tǒng)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。應(yīng)用建立的混合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，分別對回?zé)崾?RHE)空氣再熱和回流式(EGR)空氣再熱的SOFC/GT混合系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和分析比較。研究結(jié)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)和回?zé)崞?。仿真研究表明RHE系統(tǒng)效率受燃?xì)廨啓C(jī)各部件的影響比EGR循環(huán)大。
　　采用滾動(dòng)時(shí)域狀態(tài)估計(jì)器(MHE)對模型方程的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，將NMPC算法引入到SOFC的應(yīng)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(shí)現(xiàn)，對一板式SOFC進(jìn)行了仿真，仿真過程中人工添加輸出隨機(jī)擾動(dòng)變量。仿真結(jié)果表明MHE能準(zhǔn)確的估計(jì)對象的狀態(tài)變量，在過濾隨機(jī)噪音方面表現(xiàn)良好。設(shè)計(jì)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(yīng)?？刂破髟谔幚鞸OFC的目標(biāo)值與邊界約束發(fā)生沖突時(shí)表現(xiàn)良好，當(dāng)目標(biāo)與約束發(fā)生沖突時(shí)，控制器能給出最接近于目標(biāo)的控制輸入。
　　本文工作對于推進(jìn)SOFC研究和應(yīng)用具有重要意義，可以為SOFC堆