燃料電池-燃氣輪機聯合發電系統中燃料電池匹配性評估及研究

黃潛龍，梁前超，任濟民

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燃料電池-燃氣輪機聯合發電系統中燃料電池匹配性評估及研究

黃潛龍，梁前超，任濟民

（海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033）

燃氣輪機/燃料電池(SOFC-GT)聯合發電系統具有高效、環境友好、發電成本較低等優點，可作為艦船綜合電力系統的動力源。聯合發電系統主要由燃氣輪機和燃料電池兩大部分組成，兩者能夠良好的匹配才能發揮出聯合發電系統的優勢。本文主要研究在給定的設計參數的條件下，運用模糊綜合評判的方法，構建單因素評價矩陣，進行二級綜合評判，判斷SOFC-GT聯合發電系統中SOFC的匹配性問題，評判結果為良好。

燃氣輪機/燃料電池 匹配 模糊綜合評判 因素

0 引言

燃料電池是一種將化學能轉化為電能的裝置，運行過程中沒有燃燒，是一種高效、清潔的能量轉換裝置。高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）可與燃氣輪機結合，組成聯合循環發電系統，綜合效率能達到80%，可以為艦船綜合電力系統發電，提高艦船的續航力。

燃氣輪機/燃料電池(SOFC-GT)聯合發電系統具有高效、環境友好、發電成本較低等優點，可作為艦船綜合電力系統的動力源。目前為止，世界上僅建成一座SOFC-GT聯合裝置電站，即西門子西屋公司于2000年5月在美國加州大學安裝的全世界第一部SOFC-GT復合發電站，發電功率為220 kW[5]。由于缺少相關運行經驗和實驗數據，國內外目前主要通過仿真建模手段來進行研究。就國內研究現狀來看，有些機構逐漸開展小功率聯合發電系統原理驗證裝置或示范工程。結合實驗就需要考慮到裝置的選型問題，更要涉及到燃料電池/燃氣輪機的匹配性問題。本文主要研究聯合發電系統中SOFC的匹配性問題，但SOFC-GT聯合發電系統結構復雜，對其進行表征的特性參數眾多，具有強耦合性，難以進行定量的評價。因此，利用模糊綜合評判的方法，建立因素集，分配不同的權重，將難以定量評價的指標進行量化，再進行二級模糊綜合評判，得出SOFC的匹配結果。

圖1 SOFC-GT聯合發電系統示意圖

1 模糊綜合評判原理

模糊數學是研究和處理模糊性現象的一種數學理論和方法，由美國控制論專家L.A.Zadeh于1965年創立[1]。模糊綜合評判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮被評價事物相關的各個因素，建立因素集、權重集、評價集、單因素矩陣，通過綜合評判，對其做出合理的綜合評價。

目前國內還很少有人通過模糊綜合評判的方法評價SOFC，其系統結構復雜，相關的影響因素眾多，難以定量進行描述。如果只是對單個參數或單個系統研究其對燃料電池系統性能的影響，很難獲得理想的研究結果。本文采用多級模糊綜合評判的方法，將各影響因素量化，得到可靠的總體評價，很好地解決模糊的、難量化的問題。

1.1 單因素評價：

采用多級模糊綜合評判，對于單因素u求出其對于的單因素評判矩陣R，R的元素r表示對U的因素u的評價中，評判等級v（=1,2，……）所占的份額。在現行的信息系統評估中r大多采用以下方法確定：成立一個由若干人組成的評估專家小組,每位專家根據經驗和專業知識分別對每個單因素u進行評判，并確定其屬于評判集中的哪一級，則r的含義就是將單因素u評定為v級的專家數占專家總人數的百分比。

二級模糊綜合評判單因素評價矩陣：

第i類因素模糊綜合評判矩陣B：

B=AR=

= (b, b…… b) (2)

1.2 建立權重集：

第一層權重系數的確定：設第i類因素Ui的權數為a（=1,2,3……），則因素類權重集為

=（1,2,3……a） （3）

第二層權重系數的確定：設第i類中的第j個因素u的權數為aij，則因素權重集為

A=（a1,a2,a3……a） （4）

1.3 構建評語集

={1、2、3、4}={優、良、中、差}

表1 評語說明表

1.4 一級模糊綜合評判：

單因素評價矩陣：

模糊綜合評判矩陣：

=(1,2……4) （6）

2 實例分析

現擬構建1 kW高溫固體氧化物燃料電池和0.2 kW微型燃氣輪機組成的SOFC-GT聯合循環樣機系統，預期綜合效率達到70%以上。國內目前已有多家公司成功研制出1 kW級SOFC系統，技術比較成熟，并已逐步向商業化發展。選取某型國產1 kW級SOFC，該型電池在國內同類產品中技術相對成熟，性能也比較優異，通過模糊綜合評判，確定其對系統的匹配性。

圖2 多級模糊綜合評判模型

2.1 確定因素集：

表2 某型1 kW SOFC主要技術參數

通過查找文獻[2,3,5]和專家詢問，將SOFC綜合評判指標主要分為性能指標、結構指標、工作指標，構成第一層目標因素集U=｛U1、U2、U3｝=｛性能指標、結構指標、工作指標｝。性能指標的二級指標包括功率密度、電堆衰減率、燃氣利用率；結構指標二級指標包括尺寸、重量、電解質厚度；工作指標二級指標包括加熱或冷卻速率、工作溫度、陰陽極壓力差。SOFC匹配性模糊綜合評價指標體系如圖4所示。

圖3 某型1 kW固體氧化物燃料電池電堆

圖4 1 kW固體氧化物燃料電池伏安特性曲線

圖5 1 kW固體氧化物燃料電池效率曲線

2.2 專家評價

通過專家打分系統對各單因素進行評價，評價結果如表3所示。

表3 專家打分表

2.3 單因素F評判：

性能指標單因素評判矩陣：

結構指標單因素評價矩陣：

工作指標單因素評價矩陣：

2.4 確定權重系數：

通過查閱相關文獻[4,5]，結合下文SOFC具體技術性能參數，給出如下權重系數：

第一層權重系數的確定：

三個一級指標中，性能指標直接反映了SOFC的性能情況，所占權重最大，工作指標對聯合發電系統的工作性能有較大影響，所占權重次之，結構指標所占權重最小，給出權重分配如下：

=（0.5,0.2,0.3） (10)

第二層權重系數的確定：

功率密度反映了SOFC的輸出性能；衰減率關系到SOFC的壽命問題；燃料利用率則與整體的的發電效率有關，通過查閱資料[5]給出性能指標二級指標的權重：

1=（0.45,0.35, 0.2） (11)

電解質厚度越薄，離子越容易穿過，反應速率越高；電池的尺寸和重量關系到整個系統的布置與結構，給出結構指標二級指標權重：

2=（0.2,0.2,0.6） (12)

電堆的加熱或冷卻速率影響到整個系統的啟動和停機時間；排氣溫度直接影響到燃氣輪機渦輪的工作情況，其與電池工作溫度有關；陰陽極的壓力差則從系統的安全性方面進行了考慮。給出工作指標二級指標權重如下：

3=（0.3,0.4,0.3） (13)

2.5 二級因素評判結果：

性能指標評判集：

1=1×1=（0.2575,0.545,0.1425,0.055） (14)

結構指標評判集：

2=2×2=（0.27,0.46,0.19,0. 08） (15)

工作指標評判集：

3=3×3=（0.13,0.22,0.445,0.205） (16)

2.6 一級因素綜合評判：

單因素評價矩陣：

SOFC匹配性評判集：

=×=（0.22175,0.4305,0.24275,0.105） (18)

3.7 評判結果及分析

從以上結果我們可以看出，對該SOFC匹配性判定為良好的隸屬度為0.4305，根據最大隸屬度原則（2）=0.4305=max｛0.22175，0.4305，0.24275，0.105｝，評價該型SOFC的匹配性為良好，匹配該型SOFC系統能夠正常工作。通過專家打分的結果我們也能發現，該型SOFC的功率密度是比較高的，尺寸和重量較小，這對于未來聯合發電系統的小型化有重要意義；衰減率在國內同類型SOFC中算比較低的，電池衰減率的進一步降低有利于聯合發電系統工作壽命的延長；當燃料利用率過低時，會降低 SOFC 和系統的發電效率，燃料利用率過高，則會導致燃料電池陽極的氧化，整體而言該電池的燃料利用率是偏低的；對于工作溫度，受材料承受能力等因素的限制為750℃，溫度如果能再適當提高，將提高燃氣輪機效率，進而提高系統效率。目前在國內同類型SOFC中，該型電池整體性能是比較先進的，針對SOFC-GT聯合發電系統，理論上該型電池能夠良好匹配，但為了進一步提高聯合發電系統的效率，性能更加優秀的燃料電池亟待開發。

3 結論

本文通過多級模糊綜合評判的方法，針對SOFC-GT聯合發電系統，對SOFC的匹配性進行評估。以某型SOFC為例，分析確定影響SOFC匹配性的各種因素，通過專家評價各個因素性能指標，給出合理的權重分配，得出評判矩陣，再根據最大隸屬度原則確定匹配性等級，結果為良好。本文主要從SOFC性能、結構、工作參數三個方面進行模糊評判，提出的關于SOFC匹配性的模糊綜合評判方法具有一定的參考與借鑒意義。

[1] 楊綸標, 高英儀, 凌衛新. 模糊數學原理及應用[D]. 華南理工大學出版社, 2013.

[2] 于建國, 許麗, 王玉璋, 翁史烈. 固體氧化物燃料電池及其混合發電系統的現狀及開發[J]. 上海電力, 2009,（3）: 178-181.

[3] 閆東, 梁前超, 邵夢麟, 焦宇飛. 某型燃氣輪機啟動失敗的模糊故障樹分析[J].中國修船, 2015, 28(1): 40-42．

[4] 劉川, 薛德慶, 賈長治. 輪式車載火炮火力與底盤系統匹配性能評估方法研究[J]. 火炮發射與控制學報, 2016,37(3):25-29.

[5] 李楊. 高溫燃料電池-燃氣輪機混合動力系統變工況性能分析與實驗研究[D]. 上海: 上海交通大學機械與動力工程學院, 2011:52-100.

[6] Liu G. The application of fuzzy comprehensive evaluation method in the evaluation of energy saving emission reduction for aviation enterprises[J]. Environmental Pollution & Control, 2011, 20(5):155-61.

[7] Zhao X Y, Wang D W. Fuzzy Comprehensive Evaluation Method for Distributor-selection[J]. Journal of Industrial Engineering & Engineering Management, 2002, 16(2):18-21.

[8] M. L. Shao, Q. C. Liang, D, Yan, H. Qin, J. Xiang. Application of fuzzy comprehensive evaluation on COGAG power plant of performance[J]. Journal of power and energy engineering,2014, 2(9): 29-34.

Evaluation and Research of SOFC Matching in SOFC-GT Combined Power Generation System

Huang Qianlong, Liang Qianchao, Ren Jimin

(Naval University of engineering School of power engineering, Wuhan 430033, China)

TP183

A

1003-4862（2018）06-0018-05

2018-02-22

國防科技創新特區項目（17-163-13-ZT-008 -033-01，17-H863-05-ZT-002-041-01）

黃潛龍（1994-），男，碩士在讀。研究方向：燃料電池與燃氣輪機聯合發電系統設計與仿真。Email：qjzx0926@163.com。