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上海交通大学硕士学位论文 燃料电池一燃气轮机联合循环动态仿真研究 摘要 f 燃料电池一燃气轮机联合供电循环是上个世纪末，本世纪初刚刚兴起 t 的一种高效、清洁、环保的能源装置。联合循环不仅具有燃料电池发电高 效的特点，在加入了微型燃气轮机以后，使到系统的效率得到进一步的提 高的同时，也大大增加了系统的功率密度。因此被视作分布式发电装制的 最佳形式。 燃料电池一燃气轮机联合循环是将两个非线性很强的部件组合在一 起，在带来更高的效率的同时也会增加系统的复杂程度。所以在匹配和将 来的运行过程中会出现许多新的问题需要解决。尽管在许多国外文献中已 有了对联合循环的研究，但大多属于稳态工况的效率和匹配计算。对于该 系统的动态性能研究在国内还暂时属于空白。作为国家自然科学基金项目 、f 的组成部分，体文运用动态仿真技术建立了联合循环的模型，并对系统在 ， 一定扰动条件下的响应作了初步分析。对联合循环的动态特性作了初步的 尝试和探索，为日后对系统进行进一步的研究打下基础。 首先，在已有的燃料电池模型分析的基础上，对熔融碳酸盐燃料电池 动态方程组用m a t l a b 进行求解。辨将原来的固定初始温度、入1 ：3 燃料量 ( 改为动态输入，在此基础上进行了顺流型、对流型和入口燃料变化等动态 响应分析，从结果定性地说明了该改进的有效性，扩展了动态模型的用途， 为联合循环动态仿真做好了准备矿 接着，从联合循环系统匹配的角度出发，设计了一个与燃料电池相配 合的微型燃气轮机。参考文献中的数据，在e a s y 5 通用仿真平台上建立了 该燃气轮机的动态模型。仿真结果表明，所设计的微型燃气轮机的性能符 合组成联合循环的要求。 最后，按照模块化仿真的思想，为了充分利用m a t l a b 和e a s y 5 各自 、平台上的资源，本文解决了m a t l a b 和e a s y 5 之间进行联合仿真的问题， 实现了不同仿真平台之间联合仿真。并运用上述两种仿真平台建立联合循 j 环的动态模型。拄多仿真工具联合仿真的情况下通过到达稳定过程、压缩 i 机放气过程以及入口燃料变化过程的试验，验证了模型。同时也对系统某 ， 些动态特性作了研究。， 本文对联合循环的动态特性作了研究，验证了模型，得出联合循环在 没有控制系的条件下可以在一定的扰动下自行稳定的结论。 关键词：燃料电池，微型燃气轮机，联合循环，动态，仿真 ，、l t 上海交通大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h ed y n a m i c s i m u l a t i o n0 fh y b r i d m c f c - g a st u r b i n e c y c l e j t h ec o g e n e r a t i o no fh y b r i dm o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ( m c f c ) a n dm i c r o - g a st u r b i n ec y c l ew a sd i s c o v e r e d a tt h ee n do ft h el a s t c e n t u r y a n db e c a m e t ob ev e r ya t t r a c t i v ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s ， p r o m i s i n gh i g h l y e f f i c i e n c y a n d v e r y l o we n v i r o n m e n t a l i m p a c t i n t e g r a t e dw i t hm i c r o g a st u r b i n eh y b r i dm c f c g a s t u r b i n ec y c l e sh a v e b e t t e re f f i c i e n c yt h a nm c f cc y c l e s ，a n dt h ep o w e rd e n s i t y i sm u c h l a r g e r a s t h er e s u l to ft h e s ea d v a n t a g e s ，h y b r i dc y c l e ss e e m t ob et h e b e s td e v i c ef o rt h ed i s t r i b u t e dp o w e r m a r k e t i n t e g r a t e d w i t ht w ok i n d o f n o n l i n e a r i t yd e v i c e h y b r i d o f m c f c - g a s t u r b i n ec y c l eb r i n g sc o m p l e x i t ya si tb r i n g sh i g h l ye f f i c i e n c y - t h e 悖m u s tb eal o to fp r o b l e mt ob es o l v e db e f o r et h eh y b r i dc y c l e s y s t e m sc a nr u n a l t h o u g ht h e r e a r em a n yr e s e a r c hp a p e m ，m o s to f t h e s es t u d i e sf o c u s e do nt h es t e a d ys t a t ea r e a ，s u c ha se f f i c i e n c ya n d s y s t e mm a t c h i n g t h e r e i sl i t t l es t u d yi nd y n a m i c s i m u l a t i o no fh y b r i do f m c f c - g a st u r b i n ec y c l e a sap a r t o fp r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a l 上海交通大学硕士学位论文 _ n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h em o d e lo f h y b r i dc y c l e ，a n da n a l y s i st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h em o d e l f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hb yo t h e r s as o l u t i o no fd y n a m i c m c f cm o d e lh a sb e e n d e v e l o p e d u n d e rm a t l a b a n dt h es t a t e v a r i a b l e s ：i n l e tt e m p e r a t u r ea n da m o u n to ff u e lh a v eb e e nt r e a t e da s i n p u t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o n f i g u r a t i o n s t h em o d e li sr e a d y f o rt h es i m u l a t i o no fh y b r i dc y c l e int h es y s t e mm a t c h i n gr e s p e d ，t h ep a p e rd e s i g n e dam i c r o - g a s t u r b i n e o nt h eb a s i so ft h ed a t ao ft h er e f e r e n c e ，t h i sp a p e rd e v e l o p e d a d y n a m i c m o d e lo fm i c r o g a st u r b i n eu n d e re a s y 5s o f t w a r e a l s o 。u n d e rt h et h i n k i n go fm o d u l em o d e l i n gs i m u l a t i o n ，t ou s e t h e r e s o u r c eo fm a t l a ba n de a s y 5 ，t h i sp a p e rr e a l i z e dt h ec o - s i m u l a t i o no f m a t l a ba n de a s y 5 a n dt h em o d e lo fh y b d dm c f c - g a st u r b i n ec y c l e h a sb e e ns i m u l a t e du n d e rt h ec o s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t b y p a s s i n g a n dc h a n g eo ft h ei n p u tf u e lh a v eb e e ns e ta st u r b u l e n c e a n dt h e m o d e ih a sb e e nt e s t e d k e yw o r d s ：h y b r i d ，m c f c ，m i c r o - g a st u r b i n e ，d y n a m i c ， s i m u l a t i o n 一 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 燃料电池一燃气轮机联合供电循环是上个世纪末，本世纪初刚刚兴起的一种高效、 清洁、环保的能源装置。联合循环不仅具有燃料电池发电高效的特点，在加入了燃气 轮机以后，使到系统的效率得到进一步的提高的同时，也大大增加了系统的功率密度。 因为拥有上述优点，它被视作新一代能源设备的希望之星。对于燃料电池一燃气轮机联 合发电循环，国内外的研究工作大都比较注重其稳态特性的研究，但是对于实际运行， 我们往往更加关注系统的动态特性。因此，作为国家自然科学基金项目的组成部分， 本文对联合循环的动态特性作了初步的尝试和探索，为日后对系统进行进一步的研究 打下基础。 1 燃料电池、燃气轮机联合循环概述 1 1 1 燃料电池技术的发展状况 燃料电池从出现到现在已经经历了1 0 0 多年的时间，但是它的实用化也就是这几 年的事情。谈到燃料电池的发展，不得不先说一下燃料电池的分类。最常用的分类方 法是按电池所采用的电解质来分类。据此，可将燃料电池分为： 1 碱性燃料电池( a f c ) 。通常以氢氧化钾为电解质，以o h 一为离子导体。6 0 年代 就成功地应用于a p o l l o 登月飞行，输出功率为1 l _ 4 2 k w ，质量9 0 k g ，寿命5 0 0 小时。 2 磷酸型燃料电池( p a f c ) 。以浓磷酸为电解质，其导电离子为h + 。也是最早接 近商业化的燃料电池，发电单元从5 0 到2 0 0 k w 之间，已累计工作时闯7 5 0 ，0 0 0 小时。 3 质子交换膜燃料电池( p f _ m f c ) 与直接醇类燃料电池。它以全氟或部分氟化的磺 酸型质子交换膜为电解质，其导电离子为h + 。p e m f c 能在高电流密度下工作，特点是 工作温度低( 1 0 0 ) ，适合作为移动式动力源。 4 熔融碳酸盐型燃料电池( m c f c ) 。它以熔融的( k l i ) c o 。或( n a l i ) c o 。为 电解质以c 仉- 2 为离子导体。m c f c 的工作温度在6 5 0 ( 2 左右，所以无需任何贵金属催 化，燃料可以进行内部重整。 5 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 。它以由氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质，以0 1 为离子导体，工作在8 0 0 c 1 0 0 0 ，余热可以充分的得到利用，主要面临的是材料的 问题。 上海交通大学硕士学位论文 表i - i 各种燃料电池特性比较 同时也可按电池温度对电池进行分类这种分类对于工业应用更有实际意义。 1 低温燃料电池。它包括碱性与质子交换膜燃料电池以及使用气体醇类作燃料的 直接醇类燃料电池； 2 中温燃料电池。它包括b a c o n 型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池以及使用液体 醇类作燃料的直接醇类燃料电池； 3 高温燃料电池。它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。 不同类型的燃料电池具有不同的用途。对于区域供电的固定电站来说，磷酸型燃 料电池、熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化物燃料电池是比较适宜的。尤其是后两种 电池，它们可以采用煤造气、天然气、重整气等作燃料气也可以直接采用天然气、 汽油、柴油做燃料。 燃料电池的优点有很多，主要集中在”3 ： 1 能量转换效率高燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得 多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为4 0 5 0 ，当用热机带动发电机时，其效率 仅为3 5 4 0 而燃料电池可达6 0 7 0 其理论能量转换效率可达9 0 。其他物理电 池，如温差电池效率为1 0 ，太阳能电池效率为2 0 ，均无法与燃料电池相比。 2 污染小、噪声低燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减 少污染排放( 见表i - 2 ) 。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污 染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分故运行环境无噪声污染。 3 高度可靠性燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。 由于这种电池组是模块结构因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时， 它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受 且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。 4 比能量或比功率高 5 适用能力强燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲 醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至 城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。 2 上海交通大学硕士学位论文 表卜2 燃料电池与火力发电的大气污染比较单位：k g x1 0 。6 ( k w h ) 因为上述的优点，燃料电池在很多场合都有不错的应用前景，不过因为篇幅关系， 这里只讨论与发电相关的应用。因为燃料电池不经过热机过程，因此能量转化效率高， 能够达到( 4 0 6 0 ) 。对于固体电解质型燃料电池( s o f c ) 和熔融碳酸盐型燃料电 池( m c f c ) 由于它们的反应温度比较高燃料电池出口的高温燃气可以再次利用，因 此在联合发电( 供热) 循环中能够得到较高的综合效率。 对于固体电解质型燃料电池( s o f c ) 采用固体氧化物作为电解质除了高效，环 保的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质 量余热可以充分利用。一个典型的系统： 当系统运行在一个大气压下，运行在 1 0 0 0 ，将天然气转换为交流电的效率 是4 5 。因为燃料电池的出口气体的温度 大约是8 5 0 ，可以与燃气轮机的燃烧室 协同工作，得到的动力用于压缩燃料电 池的入口气体。由此，联合循环的效率 可以达到6 0 ，或以上。 s o f c 的缺点是需要耐高温的材料 目前大多用陶瓷材料，但是耐高温的陶 瓷材料往往对机械冲击比较敏感，这使 曲o - t o o c h 2 0 2 卅 j p a r o u l ；mc c n 啦c 0 b 】 l i 赴嘛 0 2 。o j 5 口c 到制造的成本很高。 f i 9 1 1 s c h e m a ti co fm c f cc o m p o n e n t s 熔融碳酸盐型燃料电池( m c f c ) 是由 囤1 一l 熔融碳酸盐型燃料电池示意图 多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其 电解质是熔融态碳酸盐。运行的温度大约是6 5 0 1 2 。与其他的燃料电池不同，熔融碳 酸盐型燃料电池需要处于熔融状态的碳酸钾或者碳酸锂提供二氧化碳作为反应所需。 反应如下： 阴极：0 。+ 2 c 0 2 + 4 e 一一2 c o ，” 阳极：2 h 2 + 2 c 酵一一2 c 晚+ 2 h 2 0 + 4 e 一 总反应：仉+ 2 h 2 2 h 2 0 在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池( p a f c ) 由于磷酸易得反应温和，成为 发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。1 9 7 7 年美国通用公司首先建成兆瓦级p af 3 上海交通大学硕士学位论文 f i g l 一2s i m p l es y s t e mo fm c f c 图1 2 简单m c f c 测试用系统示意图 c 发电站。1 9 9 1 年日本电力公司 在东京湾兴建的1m wp a f c 发电站 也己投入运行。目前美国已有少量 销售，其商品化阶段已经开始。 熔融碳酸盐型燃料电池具有 很高的效率，在余热被利用之前， 能够达到5 0 6 0 的效率。它的 缺点与s o f c 相似，也是材料问题。 。 在m c f c 中通常采用镍作为碳酸盐 的催化物因其工作高温、高腐蚀 的工作环境，不得不定期进行替 换。 在燃料电池研究开发方面，美 国、日本和德国处于世界领先地 位。美国早在1 9 6 7 年就制定了 t a r g e t 和f c g 一1 燃料电池研究发 展计划。近年美国能源部对燃料电 池研究资助每年均在2 0 0 0 万美元以上。1 9 8 9 年欧洲燃料电池集团成立。 熔融碳酸盐型燃料电池( m c f c ) 正处于 1 0 2 0 k w 向兆瓦级发展阶段。1 9 9 4 年1 2 月 美国已建成迄今功率最大的2 5 0 k wm c f c 电 站。日本1 9 8 9 年已完成2 5 k w 的f c 试验 按其“新阳光计划”1 m w 的舭f c 中间试 验电厂现正在实施中。我校燃料电池一燃气 轮机联合研究中心已建成熔融碳酸盐高温 燃料电池试验基地，并开始发电。 1 9 8 7 年起，日本在对1 0 0 0 千瓦级实验 电场( 外部改质型) 进行主要开发的同时，对 1 0 0 千瓦级发电机组以及1 0 0 0 千瓦级机组 f i g l 一3r e a 1m c f cs y st e m 图1 3 筒化了的m c f c 系统 的外围设备的开发研究也取得了进展。除此之外，还在开发2 0 0 千瓦级内部重整型燃 料电池发电系统。“3 1 1 2 微型燃气轮机 功率为数百k w 及其以下的燃气轮机在4 0 6 0 年代就已发展和应用了，当时称为 小型或小功率燃气轮机，用于发电和驱动。机组的特点是每分钟数万转的燃气轮机经 减速齿轮减速后去驱动负载，压气机用离心式，透平多用轴流式，部分采用向心式， 用回热时较多用回转式回热器，部分用板式回热器转子用滚动轴承支承。到9 0 年代 初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮机发电机组， 这样大大简化了结构，使得重量减轻，尺寸明显减小。鉴于2 0 世纪9 0 年代已有多家 4 上海交通大学碗士学位论文 公司在研制和生产最大容量3 0 0 m w 以上的机组，相对来说数百k w 以下的功率较为小 因此称为微型燃气轮机( m i c r o - t u r b i n e ，简称m 下) 。”3 微型透平普遍地有以下一些特征： 径流式压气机。 由单级和二级压缩定义的低温比。 最低限度地应用静叶和转子冷却。 回收排气来预热空气。 在最初输出轴上有非常快的旋转速度( 2 5 ，0 0 0 r p m 或更快) 。 新的微型燃气轮机为全径流式，即用 离心式压气机和向心涡轮( 或称透平) ， 在转子上两者叶轮为背靠背机构，所用 的回热器般为高效板式。一些机组还 采用空气轴承，这样就不需要润滑油了， 结构更趋简化。 因为其较小的尺寸，较低的单位成 本和有效的热能输出，微型透平可以被 应用到各种不同的需要电力和热能的场 合中。最近由a r t h u rd l i t t l e ， i n c o r p o r a t e d 和r e s o u r c ed y n a m i c s c o r p o r a t i o n 完成的市场评估中指出8 种 潜在的应用形式：1 ) 连续发电；2 ) 调 峰电力；3 ) 备用电力：4 ) 主电力：5 ) ： l # 一。一 柏 辫 l 。 = j 。劫 ；一! 鼍曼苎? u 1 二船_警_ 士二。f h“悖1 -蚺- 0 l n l n i l ；器? 。茹f “”。j f i g l 一4m td e s i g nf e a t u r e s 图i - 4 微型燃气轮机各种设计应用场合 偏远地区电力：6 ) 冷却、供热、电力：7 ) 驱动机械和8 ) 废弃物和生物燃料。嘲 由于分布式供电等发展的需求，微型燃气轮机将会有很好的发展前景，尤其是将 微型燃气轮机和燃料电池组成联合循环以后效率将可以达到7 0 7 5 十分诱人。 目前，国外有多家厂家正在进行研制，已经生产出来的微型透平已经达到非常小的尺 寸( 例如，几千瓦) ，商业产品可能在十几到几百千瓦这个范围内。 1 1 3 联合循环 内燃机和汽轮机是现代工业的两种主要动力机械在动力机械今后的发展中，有 两种装置是具有良好前景的：一种是燃料电池、另一种是微型( 燃气) 透平。燃料电 池( 本身) 没有运动部件，运行安静，排放清洁，不足之处在于成本较高，但是随着 科技的发展，正在逐步进入商用市场。微型燃气轮机可以说是普通燃气轮机的微型版 本，它具有效率高，免维护等特点。最新的联合循环把上述两者的优点结合起来，具 有效率高，排放清洁，综合成本低等下一代热力机械所应具有的特点。 5 平轮机 池环 装机容量2 5 k w - 5 m w范围很5 0 0 k w 一2 5 删 2 0 0 k w 一22 5 k w 一1 0 02 5 0 k w “ 热电效率2 5 - 4 5 占地面积 ( m y k w ) 典型系统的安 装费用( 美元 k w ) 运行维护费用 ( 美元k w h ) n 0 。捧放 ( k g m w h ) 余热利用 热一电总输出 ( k j k w h ) 余热温度 ( 摄氏度) 技术的成熟性 0 0 2 - 0 0 3 8 0 0 1 5 0 0 0 0 0 7 - 0 0 1 5 1 0 0 - 1 2 热水、低 压蒸汽、 直接供暖 3 0 4 2 2 5 - 4 0 ( 简单3 5 5 5 循环) 4 0 6 0 ( 复合 循环) 3 0 0 0 0 0 0 0 0 40 0 0 2 - 0 0 0 80 0 0 3 0 0 1 5 0 8 20 1 8 一1 8 1 9 5 k w 2 5 3 0 6 0 9 6 o 0 1 一o 1 7 0 0 - 13 0 0l0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 2 - 0 0 1 0 1 8 - 1 0 0 供热、低一 压蒸汽、 直接供暖 4 ，2 0 0 1 5 ，8 0 0 2 0 0 一3 4 0 9 0 - 9 8 一 几种分布式联合动力循环的参数和经济性之间的比较，可以在表1 - 3 中看到。 1 2 研究的现状和发展趋势 1 2 1 燃料电池建模综述 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。 1 8 3 9 年，w i l l i a mg r o v e 首先介绍了燃料电池的原理性试验，大约在1 0 0 年以后， f t b a c o n 采用了双层骨架多孔扩散电极，实现了有较大气、液、固三相交界的电化 学反应区“1 。这是燃料电池迈向实用的第一步。因为燃料电池的复杂性，所以需要用 新的技术手段来减少工程上的风险。建立在对每个部件充分理解的基础上的研究往往 6 上海交通大学硕士学位论文 能够揭示更多的问题。这些都使得设计人员能够在问题发生之前有机会改进设计、解 决问题，以及对如何组成联合循环系统有进一步的了解”1 。另一方面，在了解系统的 基础上，对电池性能的研究，对电池( 联合循环系统) 进行优化控制也是建模的目的 之一。 高温燃料电池的模型 高温燃料电池的建模已经有二十多年的历史，随着高温燃料电池的试验和商用 化的脚步，对燃料电池的建模仿真工作从来都没有间断过。模型授建模的目的大致可 以分成为：局部模型、整体模型和控制模型。 作为发电用的燃料电池，首先要考察电池的电力性能。同时由于与其他形式的燃 料电池不同，高温燃料电池内部有很大的压差，加上各部分较大的温差造成的( 局部) 不均匀膨胀很容易使电池失效。阴极、阳极之间超过临界压差会造成气体穿过电极 层，在电池内部形成“热点”。工作在最大电流负荷时，如果电池内部有几百度的温 差就会造成电极腐蚀，材料退化。所以从可靠性的角度出发，温度及其分布就是研 究的重点。 早期模型 早期的典型的模型中以t h o m a sl w o l f 在1 9 8 3 年提出的熔融碳酸盐燃料电池性能 模型为代表。以独立、平板式燃料电池为基础，针对燃料电池的一个单元进行建模， 并假设所有电池单元的状态都是一样的。( 实际上，无论是动态过程还是稳态过程， 由于边界条件的不同，所处物理位置不同的单元状态参数会有所差别) 。电池内部模 型主要考虑的是电池单元的化学平衡、流动和传热情况。 典型的模型认为：产生热量的主要原因是：燃料与空气的预热，化学反应产生的 热，以及电流流动时内阻上产生消耗热。因为反应在电极处进行，所以在电极处是一 个热源，电极要向燃料、空气传热，传热的形式主要是对流换热和热辐射。假设： a ) 气体在光滑的壁面做稳定的流动：b ) 电池单元的边界是绝热的；c ) 气体的性质不随 温度的改变而改变( 因为电池内部温度的变化对气体性质影响可以忽略) ；d ) 忽略固 体和气体之问的辐射换热：e ) 电极的电压是稳定的、恒定的；f ) 单元内的气体组分反 应前后是一致的；g ) 电极、隔板等固体的温度是一致的。1 。对电池单元进行了分析。 但大部分高温燃料电池是进行内部重整的，存在着反应平衡的问题，通常可以用 电流密度求出( 重整) 化学反应平衡系数，和燃料利用率。 在稳定流动的条件下通过试验得到其中的一些参数，从而求出这组方程的解。从 仿真的结果与实测值比较来看，该模型是有效的。 9 0 年代初期类似的模型还有：曹广益的熔融碳酸盐型燃料电池温度特性的模型 “”。该模型不再采用集总参数，而是认为固体面上有一个沿平面方向的二维温度分布。 并用d r 方法给出了解析解。但是模型中的一些参数：例如流体与固体之间的换热系 数，还是在稳定流动条件下的试验值。 细化模型 c y y u h 对多孔熔融碳酸盐燃料电池的数学模型的分析1 ，j a p r i n s j a n s e n 根据电极的特性建立的稳态流动下的模型“。，以及w h e 针对电池单元内部流动情况 建立的三维模型“等。 下面简单叙述w h e 的三维模型。作者认为在对高温燃料电池进行实验时，进行 所有的临界试验是不可能的，即使是进行这样的试验，也因为临界试验现象是瞬间发 生的。很难取得所有需要的数据。所以对电池堆进行精确的建模是必要的。 7 上海交通大学硕士学位论文 作者对化学平衡和n e r n s t 电势的理解跟上文中提到的方法是相似的。在考虑热传 递问题时，加入了由于水的相变引起的热量变化。关键在于从两维到三维，守恒方程 的形式发生了变化。模型在c f d 软件p h o e n i c s 下的仿真结果与试验数据的比较是可以 接受的，说明模型在评价电池在瞬态工作时的安全性和效率方面是有效的。同时说明 c f d 方法在燃料电池仿真领域有着广阔的前景。 电“堆”模型 随着高温燃料电池( m c f c 、s o f c ) 蓬勃的发展，许多商用计划崭露头角，需要对 其材料、设计、运行环境进行优化，因此除了对燃料电池的细节进行分析外，对整体 也进行了建模和试验。建模遵循首先对电极特性进行一维建模仿真然后建立电池单 元二维模型，最后，建立全尺寸电池堆的三维模型的顺序。实际上是对已有的模型的 扩充。假设：电极的厚度是一维模型中的长度；认为传导面两侧的离子和电子是连续 的、均一的：在电极的大孔处，扩散不受限制；认为极小的带电微团在液体中瞬间扩 散：采用电化学反应动力学中b u t l e r - v o l m e r 表达式的线性形式。基于上面的假设， 对s o f c 的电极电阻( c o s t a n m a g n ae ta 1 ，1 9 9 7 ) “”给出了新的解析形式。 对于整个电池组堆，则是上面两个步骤的综合并加上一些边界条件，和传 热问题的假设。处理“堆”的问题是建立在对电池单元和电极的理解上的，这种建模 方法国外的文献称之为s c a l e u p “”，这种建模思想已经被大多数学者认可。 典型的整体模型还有f y o s h i b a 针对电池电压特性分析的模型“”。该模型的重点 是分析高温燃料电池的电流密度与电池电压之间的关系。除了建立能量守恒、质量守 恒方程外，还将电池看作是一系列电阻的组合。模型只考虑电特性对热力特性不做 分析。 控制模型 在对燃料电池性能有了一定的了解以后，作为一个分支，以控制为目的的数学模 型逐渐发展起来。 1 9 9 9 年m i c h a e ld l u k a s 提出了一个“堆”的控制方面的模型。他认为，( 对电 池) 的控制模型应该建立在过程模型的基础上这个过程模型可以是一个简单的动态 模型必须符合燃料电池的基本原理“”。 2 0 0 0 年韩国的b y o u n gs a mk i n g 等提出了控制理论方面的燃料电池的模型建 立在实验数据的基础上的一个多输入、多输出( m i m o ) 的传递函数的模型。作者认 为：在以往的研究中，往往认为控制变量是输出功率，作者认为实际上，电流载荷、 燃料、空气量才是控制变量。作者定义了操作变量i ( 电流密度) m a c m 2 ，u r ( 燃料使 用率) ( ) u ( 氧化剂使用率) ( ) ，控制变量d t ( o , - t ；。) ( ) ，d p ( r , i n - - n 。) ( 阳 极压差) 。d p o ( p 。i n _ p 。) ( 阴极压差) ，以及扰动量t 。( 堆入口温度) ，r 。( 阳极出 口压力) ，p c 。( 阴极出口压力) 。建立了多输入多输出传递函数矩阵。作者应用相 对增益矩阵( r g a ) 和奇异值( s v a ) 法判断模型的稳定性。 1 2 2 联合循环的研究现状 综合各个方面的文献资料，5 0 2 0 0 k w 的微型燃气轮机的在低压比的条件下典型 的效率是3 0 ( l h v ) 左右。而高温燃料电池的排气温度正好与之组合，组成各种形式 8 上海变通大学硕士学位论文 的联合循环系统，有助于提高整体的效率。近两年内，许多高温燃料电池相继发电成 功，微型燃气轮机的实验积累，都为建立联合循环创造了条件。同时也对联合循环的 研究工作提出了新的要求。从热力学的观点看，燃气轮机的入口温度越高，燃气轮机 的效率就越高。当然，如果燃料电池自身有较高的排气温度，联合循环的布置形势可 能相对要简单一些一可以直接使用燃料电池的排气，例如c o s t a m a g n a 对固体氧化物 s o f c 联合循环的研究。尽管熔融碳酸盐燃料电池m c f c 要1 0 0 的达到商用的要求还需 要定的时间n8 。”】，但是并没有妨碍对以m c f c 为循环中燃料电池的联合循环的研究工 作。l o b a c h o v 曾经大胆的预测，婀f c 和微型燃气轮机组成的底层循环的效率可以达到 7 0 ( l h v ) “，b r a u n 就m c f c 联合循环中的损耗因素作了分析，并提出了改进的方法 “。将燃料电池与传统的热力( 发电) 循环联合在一起，将大力推动燃料电池的普及 化由此看来，研究燃料电池燃气轮机联合循环具有非常实际的意义。 对于燃料电池燃气轮机联合循环进行研究的论文多集中在最近几年。由于对燃料 电池动态的特性以及微型燃气轮机的动态特性的都还在探索之中，对联合循环的研究 大多关注于燃料电池跟燃气轮机的匹配，系统结构的比较以及因此带来的效率变化 等问题。s o f c 的排气温度高，具有显而易见的优点，而m c f c 也有本身的特点。代表 性的研究如参考文献 2 0 和参考文献 2 1 ，两者都认为不但匹配形式对效率( 燃料电 池效率、燃气轮机效率、整体效率) 有影响，不同的工况点对效率也有很大的影响， 其中涉及到燃料电池的燃料利用率、排气温度、燃气轮机效率和换热效率等问题，并 作了详细的分析并总结出排气温度、转速和功率输出等参数之间的大致关系。如前 文中提到的，上海交通大学燃料电池一燃气轮机联合研究中心已建成熔融碳酸盐燃料电 池，并已经发电成功。本文以该燃料电池为基础进行研究工作。 在前文的叙述中，已经提到联合循环系统广泛的应用场合可能将会是分布式电力。 而分布式电力装置的负荷是频繁变化的，这就是说系统将经常运行在部分工况、非设 计工况点上。作为一个系统，运行点的改变或者是受到外界扰动，就需要进行调节。 系统的动态特性作为一个问题的两个方面，对系统动态仿真也是非常重要的。这些工 作都将为研究联合循环的性能、优化联合循环的运行参数做出贡献。 1 3 本文工作的意义和内容 燃料电池一燃气轮机联合循环是将两个非线性很强的部件组合在一起，在带来更高 的效率的同时也会增加系统的复杂程度。所以在匹配和将来的运行过程中会出现许多 新的问题需要解决。因此在研发过程中会面临许多新技术和新问题，这就迫切需要一 种能够对系统进行运行分析、控制研究的手段。 利用计算机仿真技术进行联合循环动态过程仿真是研究联合循环系统过程的动态 特性、以及在此基础上研究控制规律和研制控制系统的有效手段。计算机仿真技术不 仅可以在系统匹配过程中作为试验台进行动态过程的模拟和对控制系统进行验证，还 可以作为日后运行人员的操作培训等用途。 动态仿真技术除了可以在运行点性能分析、经济性分析等方面的运用外，还可以 对复杂系统的变工况过程的进行分析，并且具有很多优点。以燃气轮机为例。燃气轮 机能够运行的工作点的总和称为全工况，它分为设计工况和部分工况。从一个稳定的 9 上海交通大学硕士学位论文 工作点到另一个稳定的工作点，之间的过程是一个不稳定的时变过程可以称为变工 况。通过重复多次实验来研究燃气轮机( 特别是大型的燃气轮机) 的变工况性能是很 困难的，也是不经济的。通过动态仿真技术进行研究，具有独特的优越性，而且有一 定的准确性和可靠性。燃料电池一燃气轮机联合循环变工况具有不稳定的特性，采用动 态仿真技术对此进行研究是必要的，也是很好的选择。而且开发过程中的仿真模型可 以作为日后培训等用途，节省了开发成本。 本文的工作是在对已有文献综述的基础上，建立初步的燃料电池一燃气轮机联合循 环动态仿真系统。大致可以分为以下几个方面： 1 在已有的燃料电池模型分析的基础上对燃料电池动态方程组用m a t l a b 进行 求解，并将原来的固定初始温度改为动态温度输入，进行了动态响应分析，从结果定 性地说明了该改进的有效性，扩展了动态模型的用途，为联合循环动态仿真做好了准 备； 2 从联合循环系统匹配的角度出发，设计了一个微型燃气轮机。同时参考文献中 的数据，在e a s y 5 通用仿真平台上建立了动态模型。从仿真结果定性分析，该模型符 合一般燃气轮机的特性，验证了模型： 3 按照模块化仿真的思想，为了充分利用m a t l a b 和e a s y 5 各自平台上的资源， 本文解决了m a t l a b 和e a s y 5 之间进行联合仿真的问题实现了不同仿真平台之间联合 仿真计算； 4 建立联合循环的动态模型。在多仿真工具联合仿真的情况下通过到达稳定过 程、压气机放气过程以及入口燃料变化过程的试验，验证了模型。同时也对系统某些 动态特性作了研究。 这里指的是燃料电池微型燃气轮机联台循环 i 这里指的是燃料电池微型燃气轮机联合循环试验装置的功率 i 根据燃料电他的种类和装置形式的不同。余热的温度也会有所不同这里指的是燃料电池系统的亲热，高涅燃 料电池的出口气体温度可以达到6 0 0 1 0 0 0 “热点”：当燃料穿过阳极板、电解质层到达阴投一侧的氧化剂区时发生的是。燃烧”反应，即化学能全部转 化成热能这将导致局部的温度剧烈升高，是应当避免的 1 0 上海交通大学硕士学位论文 2 1 理论分析 第二章燃料电池动态仿真模型 高温燃料电池建模是通过从电极、电池单元、电“堆”三个层次上考察电池内部 发生的物理、化学现象，从而分析和研究电池性能的工作。在电极这个层次上，针对 电流密度及其结构做了研究，为建立合理的单元模型打下了基础，同时也为部件的改 进提供了依据“。根据电化学反应方程、质量、能量守恒，传热方程、气体消耗率等 条件对电池内的反应做了整体的描述，是高温燃料电池建模工作的里程碑。就“堆” 这个层次而言，建模的重心也有所转移，些部件被抽象简化用传递函数来描述整 个系统。系统的复杂与简化，都是由仿真的目的所决定的。从联合循环的角度来说， 关心的主要是燃料电池与系统匹配等问题。对于以整体角度来对待电池的电“堆”模 型，已经能够给出排气的热力参数。 2 1 1 模型的提出 本文的模型以上海交通大学燃料电池一燃气 轮机联合研究中心已经发电成功的熔融碳酸盐燃 料电池( m c f c ) 为对象进行分析、建模。理想状 态下，电池单元的输出电压是0 7 2 v ，每平方米 的堆体输出的功率大约是2 k w 。燃料电池的堆体 ( s t a c k ) 是由多个单元( c e l l ) 组成的。2 1 隔板 与电极之间是燃料通道。为了使反应气体保持均 匀，也为了增加电池的机械构造强度，在隔板与 电极之间安装了薄型隔扳( 波板) ，通过波板的 分隔形成了很多流道，燃料在流动过程中跟电懈 质发生化学反应，在极板处产生电流，同时释放 热量。 根据燃料电池化学反应的原理，燃料电池产 生的是直流电，因为我们现在所用的电网是交流 电，所虬需要通过直流交流转换才可以进网。而 - 一 - - 入口 一 一 - c _ 一 c - _ 一 c _ 一 t _ 一 _ 一 _ 一 皋 蕈 _ 一 - 一 _ 一 _ 一 _ _ 一 _ 一 。一 c - 一 c c - 一 c _ _ 一 c _ 一 c c 一 _ 一 t | _ _ 一 一_ _ 一 。一 c _ 一_ _ 一 f i 9 2 1s e p e r a t o t 图2 - i 波板示意图( 俯视) 上海交通大学硕士学位论文 燃气轮机可以直接拖动交流发电机发电。由于上述原因，燃料电池一燃气轮机联合循环 发电，从电力角度来说，是相对独立的两个模块；从燃气轮机特性来说，影响其工作 的主要是气体的温度和压力，所以本模型主要研究的是燃料电池的温度状况。 对燃料电池内部的能量分析如下：1 、入口燃料和氧化剂( 空气) 的焓：2 、化学 反应热、电流通过电极电解质由于电阻效应产生的热量可以作为内热原来考虑。 热交换主要是以下的几种形式：l 、反应气体( 分别在两极的燃料和空气) 跟电极之间 的换热：2 、隔板与反应气体之间的换热：3 、隔板和电极之间的辐射换热：4 、电极沿 流体方向的热传导：5 、波板的热传导。 2 1 2 假设 ( 1 ) 参与反应气体的各个组分完全混合。不可压缩；( 2 ) 流动中的速度分布、 温度分布已经形成；( 3 ) 同时忽略流体内沿流动方向( 轴向) 的热传导等条件下，分 析并建立以下的模型。 2 1 3 坐标建立 x 为燃料流动方向对顺流型而言，氧化剂和燃料的流动方向是相同的，即为x 的正向：对于对流型而言，则氧化剂的流动方向为x 的负方向，燃料仍为正方向；由 单元堆叠而成的堆体，设定单元的极板平面为x y 平面，堆叠方向为z 方向。 2 1 4 数学模型 通过对燃料电池阳极气体、阴极气体以及电极和隔板的能量和热交换的分析，建 c 仉，0 ： c 0 2 ，m 0 ，h z 燃霉鬻鬻黼黉孺霹氍黧爆黼鞘 l l 窿鬟蘸鬻蕊龋龋嘲篱 酗鲢萄麓商离辘醚蘸鞋妇蚓 f i 9 2 2h n a l y s i so f c e l l 图2 - 2 燃料电；电模型分析图 ，立了以时间和线性 。 化一维空间( x 方向 长度) 为参数的各部 分工作温度的函数。 。 建立偏微分方程组， 通过求解可以得到 各个时刻的反应气 。一体、电池部件温度分 。 布，这就是本文工作 表第j 块隔板，c 代表阴极( 气体) ，a 代表阳极( 气体) ， 的基础。 以顺流型为例， 简要说明模型情况。 图2 - 2 中s 代 e 代表电极。考虑d x 长 圭塑壅望查兰堡主堂堡笙塞 度微元内“热源”和各种热交抉的情况，根据能量守恒定律，可以得到下面的等式。“ 对于阴极、阳极( 气体) ： 气体的焓的变化： 鲁c p , p , 8 , - 加