一種新型船用燃料電池混合動力系統的建模

劉運新， 馬 川

(青島遠洋船員職業學院 機電系， 山東 青島 266071)

一種新型船用燃料電池混合動力系統的建模

劉運新， 馬 川

(青島遠洋船員職業學院 機電系， 山東 青島 266071)

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)與微型燃氣輪機(Micro Gas Turbine, MGT)相結合的混合動力系統是近年來開發的一種很有發展前景的船舶動力系統，可實現高效(效率高達80%)和低排(污染廢氣排放幾乎為零)的目標,但其作為一種船舶動力系統，控制關鍵是保持SOFC化學反應所產生動力與MGT旋轉所產生動力的平衡。在建立系統模型的基礎上，提出混合動力系統的控制方案。為獲得最大的效率，對SOFC的堆棧溫度、燃料流量、燃料利用率和對應功率等關鍵參數進行研究。同時，提出SOFC與MGT兩種動力系統之間動力分配的控制方法。結果表明：該控制系統能有效控制該混合動力系統，使其獨立承擔適當的負荷和適應負荷的變動。

船舶工程； 燃料電池； 渦輪機； 控制策略； 電功率； 載荷變化

Abstract: The Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine (SOFC-MGT) hybrid system is a newly developed and promising power system for ships. Compared with conventional power plants on ships, the technology can achieve a high efficiency (up to 80 percent) with a very low emission (down to zero). However, working as a marine power provider onboard ship, the control strategy of the hybrid system is challenged due to the requirement for the balance between power generation from the chemical reaction in SOFC and that from mechanical rotation of MGT. The system model is constructed and the control strategy is proposed for the hybrid power system. In order to get the maximum efficiency, the control of key parameters of the SOFC, covering stack temperature, fuel flow rate, fuel utilization and related power, are investigated. The control of load allocation between the two power sources, SOFC and MGT, is proposed. The simulation results demonstrate that the control system can guarantee the effective operation of the SOFC and MGT hybrid system under the condition of load variation.

Keywords: ship engineering; fuel cell; turbine; control strategy; electric power; load change

面對全球日益嚴格的防污染公約，傳統的船用柴油機很難滿足國家和國際的污染物排放標準。一方面，柴油機的設計者和使用者必須在設計和管理上加大投入來改善柴油機的燃燒質量；另一方面，船公司需加大投資，通過各種物理和化學方法來處理柴油機的尾氣，減少排放。目前，有關固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的研究主要針對的是陸用燃料電池系統的開發，已取得一些重要技術成果。這里嘗試開發一種SOFC與微型燃氣輪機(Micro Gas Turbine，MGT)相結合的新型船舶動力系統。SOFC通過化學反應直接消耗天然氣產生電能，而MGT則把SOFC發電后所產生廢氣的熱能轉換為電能，從而進一步提高整個系統的效率。

1 SOFC-MGT混合動力系統模型

1.1管式SOFC系統描述

SOFC-MGT混合動力系統見圖1，其以西門子管式SOFC為基礎，可用來產生電能，同時廢氣中還含有可利用的熱能。[1]在該管式SOFC系統中，甲烷(1)通過閥(2，6)和脫硫環節(3)輸送到重整器(9)，在重整器中發生自熱重整化學反應生成氫氣，然后輸送到電池的外部(11)。空氣(20)由風機(18)吸入，通過空氣過濾器(19)送入換熱器(16)；在這里，空氣被SOFC的廢氣加熱，加熱后的空氣通過空氣容器(12)和空氣供應管(8)分配到電池組。空氣從空氣供應管(8)的末端回流到電池(11)內部與電池內的氫發生反應。由此，電池堆內的氧和氫發生電化學反應產生電流，并排出高溫廢氣(24)。此外，系統中還設有燃燒室(14)，需要時過量的氫氣和部分輸入的天然氣可在其中燃燒以便為燃氣輪機提供更多能量或為SOFC堆保持適當的溫度。

圖1 SOFC-MGT混合動力系統

MGT系統用來產生電能。SOFC系統的廢氣中含有的熱能一部分通過熱交換器(25)被提取，另一部分被MGT(26)轉換為電能。

1.2SOFC模型

SOFC模型主要由重整子模型和電化學子模型2部分組成，其中：重整子模型是將甲烷(天然氣)轉化為氫、一氧化碳和二氧化碳，轉化過程見式(1)和式(2)；電化學子模型中，氫與空氣中的氧氣發生反應并產生電流，過程見式(3)～式(5)。

CH4+H2O(x)→CO+3H2

(1)

CO+H2O(y)→CO2+H2

(2)

(3)

H2→2H++2e-

(4)

O2+2e-+2H+→H2O

(5)

式(1)～式(5)中：x，y和z分別為CH4，CO及H2的轉化率(摩爾流量)。

在研究SOFC系統時,作出以下假設。

1) 所有氣體都是理想氣體，反應過程中無相變。

2) 所有電池的外壁都是絕熱的，沒有通過電池的熱能交換。

3) 電池內的氣體分布均勻且沒有變化。

4) 沿流動方向的變化是一維的。

基于上述假設，根據一定溫度與壓力條件下的物理和化學反應特性，可通過式(1)和式(2)計算出氫的輸出量。在式(3)中，電流(功率)通過外部電路產生,其他相關成分(包括H2，CO，CO2和H2O)也由此產生。使用MATLAB-Simulink軟件，可對重整和電化學過程進行建模。[2]燃料電池的實際電壓和電流的主方程式可分別表示為

(6)

(7)

1.3MGT模型

MGT的工作輸出可通過焓變和SOFC的排氣流量計算,其等熵功率(Wise)、實際輸出功率(Wact)和渦輪的出口溫度(Tt，out)可表示為

(8)

Wact=ηtWise

(9)

(10)

2 SOFC / MGT混合動力系統的控制

2.1開機和關機的控制方案

在設計的控制系統中,保持適當的燃料和空氣流量來產生輸出功率是十分關鍵的。在混合動力系統啟動之前，應檢查SOFC和MGT子系統及其他相關設備，包括堆棧、掃氣箱掃氣、燃料、閥門位置、過濾器、風機、泵、電池及潤滑油、冷卻水(或油)等，無論是在手動模式還是自動模式下，都使其處在適當的狀態或位置。[3]在啟動過程中，SOFC堆必須先緩慢加熱達到足夠高溫度以使CH4和H2O在燃料重整器中發生化學反應。因此，需要供給一些額外的燃料在燃料重整器中燃燒以便為SOFC堆棧預熱，使其達到合適的溫度?；旌蟿恿ο到y將按照以下控制方案啟動。

1) 激活啟動程序。

2) 線性控制關閉燃料旁通閥；操控流量控制閥(7)減少輔助燃料的初始值；通過調節閥(23)控制燃燒室的廢氣排量，并控制進棧的空氣流量，以便提高堆棧溫度。

3) 關閉吹掃氣體閥(5)，停止惰性氣體(4)的供應。

4) 當堆棧溫度達到要求的數值時，逐漸減少，直至切斷燃燒器的燃料供應和空氣供應。同時，當燃料和燃燒空氣供應減少到零時，電池堆的燃料利用率應達到約0.85。

5) 通過增加甲烷流量來緩慢增大燃料電池的輸出功率。

6) SOFC的操作達到穩定狀態后開始運行MGT子系統。

相反，在停機過程中，應先關閉MGT子系統，再逐漸停止SOFC系統。該控制方案如下。

1) 在關機的早期階段，通過緩慢打開旁通閥(21)，減小供入MGT系統的廢氣流量和壓力，直到MGT輸出功率減小為零；然后從輸電線上解列轉換器(28)。

2) 關閉SOFC系統的功率輸出，包括停止燃燒器、解除轉換器(31)及關閉燃料閥(6，1)。然后，SOFC系統進入冷卻狀態，惰性氣體經閥(5)被送入燃料電池，以防止電池正極材料在溫度超過限定值時發生氧化。

3) 不斷增加排氣節流閥(21)的開度來增大空氣流量，直到閥(21)全開。用線性控制打開換熱器(16)的旁路閥(22)，使電池堆進一步冷卻到一個較低的溫度。

4) 一旦堆棧冷卻到規定的溫度，SOFC系統也將被轉換到待機狀態。

2.2負載變化過程中的功率控制方案

負載變化會給SOFC帶來突然沖擊，功率控制方案主要用來保持SOFC系統的工作處于穩定狀態或控制其在一個可接受的范圍內。在正常工作中，當外界負荷增加時，控制器會立即將電池或超級電容器與電源板相連(見圖2)。因此，在負載變化后的一小段時間內，SOFC的輸出功率可緩慢增大到一定值，且MGT也會輸出所需的相應功率。電池輸出功率將匹配剩余的負載。相反，當負荷降低時，將通過開啟廢氣旁通閥(21)迅速減少流入MGT的廢氣量，以相應減小MGT的輸出功率。這使SOFC在一定時間內以線性坡道平穩降低其功率輸出，然后旁通閥線性坡道關閉以逐步提高MGT的功率輸出，直至達到一個較低數值的功率平衡。當負載突然降低時，控制器會計算SOFC系統下降的功率、旁通閥的開度及用于SOFC和MGT的斜坡延伸。在圖2中，過渡過程被簡化為一個線性過程。

圖2 各部分的功率輸出變化圖

2.3SOFC-MGT混合動力控制系統的開發

控制SOFC和MGT子系統，使其穩定工作是一種挑戰。[3]因為在高溫下,SOFC中發生著復雜的化學和電化學反應，機械轉子在MGT中高速旋轉，同時MGT利用的是SOFC所排出廢氣的能量，這些都使得系統的控制較為復雜。 ZHU等[4]分別研究燃氣輪機和燃料電池系統模型，并將其結合為一個綜合系統。STILLER等[5]，JIANG等[6]和MILEWSKI等[7]分別開發SOFC和MGT混合動力系統的控制方案。目前對SOFC和MGT混合動力系統隨負荷變化進行功率共享的研究還較少，這里所研究的SOFC-MGT混合動力系統控制方案經驗證較為實用。圖3為SOFC-MGT混合動力控制系統，主要有3個控制器，分別進行溫度控制、燃料使用控制和功率控制。

2.3.1溫度控制

溫度控制的一個主要目標是保持SOFC工作需要的溫度恒定。這是因為當SOFC的工作溫度超過最大值或上升太快時，熱應力和熱疲勞會降低燃料電池的性能,甚至影響其使用壽命。[8]在這里，SOFC電堆的溫度控制是通過調節進入系統的空氣流量和燃燒器的排氣流量實現的。其設定的溫度約為1 000 ℃，允許的最高溫度應<1 050 ℃。圖3中，若堆棧反饋溫度低于或高于設定值，其偏差值將被發送到溫度控制器，該控制器將發出PID控制信號來調節進入堆棧的空氣流量，調節幅度取決于上述偏差值的大小和功率控制器反饋的信號。功率控制器的信號反映SOFC輸出功率與所供空氣流量之間的關系。若堆棧的溫度太低，則溫度控制器可啟動輔助燃燒器并增加燃料流量。

圖3 SOFC-MGT混合動力控制系統

2.3.2系統功率和燃料利用率的控制

在SOFC-MGT混合動力系統中，SOFC產生幾乎2/3的系統電力輸出功率，該輸出功率會影響MGT的輸出功率。因此，SOFC-MGT混合動力系統功率控制的關鍵在于SOFC的輸出控制。功率控制器的主要功能是控制燃料流量;同時，燃料利用率(Uf)也必須控制。因為在相同的輸出功率下，一個SOFC可以有不同的燃料流量和燃料利用率。如圖3所示，電力負荷(作為一個設定值)將與輸出功率(反饋)相比較，其偏差信號會被輸送到功率控制器。[9-10]控制器有3個輸出信號:第1個信號發送至燃料流量控制器，該控制器綜合考慮燃料利用率設定值與反饋值的偏差后，發出PID控制信號對燃料流量進行調節；第2個信號發送至前述溫度控制器；第3個信號(PI)通過調節SOFC的電壓來控制其功率輸出。通常情況下，燃料利用率(Uf)設定為85%左右。在考慮燃料利用率的前提下，功率控制器可隨負荷的變化調節燃料流量。

3 結果與討論

在不同的輸出功率下，SOFC堆棧溫度、MGT入口溫度(TIT)和MGT出口溫度(TOT)的變化規律見圖4。由圖4可知，SOFC堆棧溫度幾乎保持不變，MGT入口溫度(TIT)隨輸出功率的增大而增大，MGT出口溫度(TOT)隨輸出功率的增大而下降(原因是MGT效率提高)。在不同的負載下，SOFC和MGT的輸出功率按一定規律分配(見圖5)。在設計負載工況下，混合動力系統的總輸出功率為210 kW，其中：約150 kW由SOFC產生；約60 kW由MGT產生。

圖4 不同輸出功率下各部分的溫度變化

圖5 不同負載下各部分的輸出功率

4 結束語

對應用于船舶的SOFC-MGT混合動力系統的SOFC的改進和燃料電池堆等進行分析。[10]在改進混合動力系統的基礎上，分析和討論應用新控制方案的動態模型。新開發的控制方案不僅能對系統的啟動、關閉、負荷承擔和負荷變化過程進行良好的控制，還能在負載突然變化時對SOFC電池堆進行保護。新方案能對燃油流量、空氣流量、SOFC電堆溫度及MGT的入口和出口溫度進行良好的控制，以便提高混合動力系統的效率。

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ShipFuelCellHybridPowerSystemModelling

LIUYunxin，MAChuan

(Marine Engineering Department, Qingdao Ocean Shipping Mariner's College，Qingdao 266071, China)

2015-12-11

劉運新(1969—), 男, 山東青島人，副教授，主要從事船舶輔機、船舶新型動力系統及船舶自動與智能化方面的研究。 E-mail: liuyx@coscoqmc.com.cn

1000-4653(2016)01-0013-04

TM911.4; U665.1

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