高温燃料电池—燃气轮机混合动力系统变工况性能分析与实验研究

论文摘要

高温燃料电池是一种将碳氢化合物的化学能通过电化学反应直接转化成电能的最有效的装置之一。在实际应用中,高温燃料电池往往与燃气轮机等其它动力装置组成混合动力系统以更充分的利用其高温排气而获得更高的能量转化效率。近年来,高温燃料电池混合动力系统在清洁、高效分布式发电领域中越来越受到人们的重视,成为各国重点发展的新能源技术。本文建立了高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的仿真模型。利用仿真模型对混合动力系统的安全运行区域,设计工况,变负荷策略、部分负荷性能,以及系统使用非设计燃料时的性能等进行了详细的计算和分析。在变工况分析的基础上,设计了详细的混合动力系统控制策略。考虑了系统在启动停车时需要解决的各种问题,设计了详细的启动停车策略。利用系统的动态模型对各种过渡工况的动态性能进行了计算分析。在实验方面,本文测试了自行研制的平板单体高温燃料电池在不同工作温度,不同燃料成分下的性能。在混合动力系统的实验方面,本文设计加工了混合动力系统中的关键部件,如利用涡轮增压器改造的微型燃气轮机、催化燃烧室、高温换热器等。采用了常压熔融碳酸盐燃料电池堆结合设计的其它部件搭建了国内首个高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统原理性样机试验台,对高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统进行了初步的实验研究。本文所做的工作为今后高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的实际开发和应用提供了必要的理论与实验基础,主要在以下几个方面取得了一定的进展。（1）燃料电池及混合动力系统数学模型的建立采用容阻特性建模的方法分别建立了目前技术比较成熟的两种不同形式的高温固体氧化物燃料电池（管式和平板式）的一维分布参数模型。在建模过程中考虑了详细的传热学方程和电化学方程。利用压气机和涡轮的特性曲线建立了燃气轮机的数学模型,利用能量守恒、质量守恒及气体状态方程建立了系统其它部件的数学模型。在建立的部件数学模型的基础上建立了高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的稳态和动态仿真模型。（2）单体高温燃料电池的研制及其性能测试研究制备了平板单体高温固体氧化物燃料电池,分别采用了X射线衍射（XRD）、扫描电镜分析（SEM）对制备的电极材料和单电池进行了表征分析。设计了平板式高温燃料电池的性能测试平台。单电池电化学测试结果显示阴极材料的烧结温度对电池的性能影响较大。测试了单电池在不同的工作温度,不同的燃料成分下的性能曲线。实验结果用于验证建立的数学模型。通过使用各种成分的燃料对燃料电池进行的性能测试结果显示,高温燃料电池可以使用低热值气体,且能量转化效率较高,是未来应用诸如生物质气等低热值气体的一条新的途径。（3）混合动力系统安全运行区域的确定及其性能研究利用混合动力系统仿真模型对高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的设计点性能、变工况策略、变工况性能以及该系统使用非设计燃料时的设计点变化和非设计工况性能均进行了详细的计算分析。首先分析了影响混合动力系统安全运行的主要因素,利用仿真程序计算确定了混合动力系统的安全运行边界。在得到的安全运行区域内,提出了三种不同的变工况运行策略,分析了不同运行策略对系统及部件性能的影响。燃料适应性强是高温燃料电池的主要优点之一,本文利用仿真模型对高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统使用不同燃料时的适应性能也进行了详细的分析。（4）混合动力系统控制策略的研究及其动态性能分析对混合动力系统的控制策略进行了详细的设计,对各个控制参数进行了优化设定。结合混合动力系统及高温燃料电池的运行特点,设计了详细的启动停车控制策略。利用系统的动态仿真模型对混合动力系统的变负荷、启动、停车等过渡过程进行了详细的动态分析。动态仿真结果显示本文设计的控制策略可以安全平稳的对混合动力系统实现负荷变化、启动、停车的控制。（5）高温燃料电池-燃气轮机混合动力原理性样机试验台的设计搭建设计搭建了高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统原理性样机试验台,对混合动力系统主要部件分别进行了选型和设计,给出了详细的启动、停车和运行步骤,得到了该系统在启动、停车、稳定运行时的实验数据,并对实验数据进行了分析。本文搭建了我国第一个高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统原理性样机实验台,验证了高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的可行性,同时也验证了本文设计的系统中主要部件的可靠性。为今后开展相关方面的研究提供了必要的技术储备和实际运行经验。但是由于燃料电池堆制备技术及实验条件的限制,本文选用的高温燃料电池和燃气轮机参数匹配不佳导致了整个系统发电效率不高,没有充分的体现出混合动力系统高效的特点,要研制出实用高效的燃料电池-燃气轮机混合动力系统还需要进行大量的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 高温燃料电池发展综述
• 1.2.1 高温燃料电池的分类及其工作原理
• 1.2.2 高温燃料电池的发展现状及应用前景
• 1.3 高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统发展综述
• 1.4 我国燃料电池及其混合动力系统的发展现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 高温燃料电池数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 高温燃料电池数学模型
• 2.2.1 管式燃料电池数学模型
• 2.2.2 平板式燃料电池数学模型
• 2.3 模型的求解
• 2.4 模型验证
• 2.5 仿真结果与分析
• 2.5.1 平板式燃料电池
• 2.5.2 管式燃料电池
• 2.6 本章小结
• 第3章 高温燃料电池的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 平板式高温燃料电池的研制
• 3.2.1 阴极粉体的制备
• 3.2.2 阳极的制备
• 3.2.3 平板式电池的制备
• 3.2.4 单电池的测试
• 3.3 实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的数学模型及稳态性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 系统结构
• 4.3 混合动力系统数学模型
• 4.3.1 燃气轮机数学模型
• 4.3.2 换热器稳态模型
• 4.3.3 燃烧室稳态模型
• 4.4 其它部件模型
• 4.4.1 发电机
• 4.4.2 管道
• 4.4.3 阀门
• 4.5 系统额定工况性能分析
• 4.6 系统安全运行区域分析及变况性能策略研究
• 4.6.1 混合动力系统的安全运行边界
• 4.6.2 不同控制策略下系统变工况性能分析
• 4.7 混合动力系统使用非设计燃料时的性能
• 4.7.1 使用非设计燃料时设计点性能
• 4.7.2 使用非设计燃料时的部分工况性能
• 4.7.3 系统使用非设计燃料时提高功率的几种策略
• 4.8 高温燃料电池工作温度对系统的影响
• 4.9 本章小结
• 第5章 高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的控制策略与动态性能分析
• 5.1 混合动力系统的控制策略分析
• 5.2 混合动力系统的变负荷动态性能分析
• 5.3 混合动力系统启动停车控制策略及动态性能分析
• 5.3.1 系统启动停车过程中需解决的问题
• 5.3.2 系统启动停车控制策略
• 5.3.3 系统启动停车过程中的动态性能及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的实验研究
• 6.1 系统结构及设计点参数
• 6.2 系统部件设计
• 6.2.1 高温燃料电池堆
• 6.2.2 催化燃烧室的设计
• 6.2.3 涡轮增压器的改造
• 6.3 实验步骤
• 6.4 实验结果及分析
• 6.4.1 高温燃料电池实验结果
• 6.4.2 混合动力系统实验过程及结果分析
• 6.4.3 燃气轮机系统性能的分析
• 6.4.4 混合动力系统性能分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文