一种新型船用燃料电池混合动力系统的建模

刘运新， 马 川

(青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071)

一种新型船用燃料电池混合动力系统的建模

刘运新， 马 川

(青岛远洋船员职业学院 机电系， 山东 青岛 266071)

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)与微型燃气轮机(Micro Gas Turbine, MGT)相结合的混合动力系统是近年来开发的一种很有发展前景的船舶动力系统，可实现高效(效率高达80%)和低排(污染废气排放几乎为零)的目标,但其作为一种船舶动力系统，控制关键是保持SOFC化学反应所产生动力与MGT旋转所产生动力的平衡。在建立系统模型的基础上，提出混合动力系统的控制方案。为获得最大的效率，对SOFC的堆栈温度、燃料流量、燃料利用率和对应功率等关键参数进行研究。同时，提出SOFC与MGT两种动力系统之间动力分配的控制方法。结果表明：该控制系统能有效控制该混合动力系统，使其独立承担适当的负荷和适应负荷的变动。

船舶工程； 燃料电池； 涡轮机； 控制策略； 电功率； 载荷变化

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

面对全球日益严格的防污染公约，传统的船用柴油机很难满足国家和国际的污染物排放标准。一方面，柴油机的设计者和使用者必须在设计和管理上加大投入来改善柴油机的燃烧质量；另一方面，船公司需加大投资，通过各种物理和化学方法来处理柴油机的尾气，减少排放。目前，有关固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的研究主要针对的是陆用燃料电池系统的开发，已取得一些重要技术成果。这里尝试开发一种SOFC与微型燃气轮机(Micro Gas Turbine，MGT)相结合的新型船舶动力系统。SOFC通过化学反应直接消耗天然气产生电能，而MGT则把SOFC发电后所产生废气的热能转换为电能，从而进一步提高整个系统的效率。

1 SOFC-MGT混合动力系统模型

1.1管式SOFC系统描述

SOFC-MGT混合动力系统见图1，其以西门子管式SOFC为基础，可用来产生电能，同时废气中还含有可利用的热能。[1]在该管式SOFC系统中，甲烷(1)通过阀(2，6)和脱硫环节(3)输送到重整器(9)，在重整器中发生自热重整化学反应生成氢气，然后输送到电池的外部(11)。空气(20)由风机(18)吸入，通过空气过滤器(19)送入换热器(16)；在这里，空气被SOFC的废气加热，加热后的空气通过空气容器(12)和空气供应管(8)分配到电池组。空气从空气供应管(8)的末端回流到电池(11)内部与电池内的氢发生反应。由此，电池堆内的氧和氢发生电化学反应产生电流，并排出高温废气(24)。此外，系统中还设有燃烧室(14)，需要时过量的氢气和部分输入的天然气可在其中燃烧以便为燃气轮机提供更多能量或为SOFC堆保持适当的温度。

图1 SOFC-MGT混合动力系统

MGT系统用来产生电能。SOFC系统的废气中含有的热能一部分通过热交换器(25)被提取，另一部分被MGT(26)转换为电能。

1.2SOFC模型

SOFC模型主要由重整子模型和电化学子模型2部分组成，其中：重整子模型是将甲烷(天然气)转化为氢、一氧化碳和二氧化碳，转化过程见式(1)和式(2)；电化学子模型中，氢与空气中的氧气发生反应并产生电流，过程见式(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分别为CH4，CO及H2的转化率(摩尔流量)。

在研究SOFC系统时,作出以下假设。

1) 所有气体都是理想气体，反应过程中无相变。

2) 所有电池的外壁都是绝热的，没有通过电池的热能交换。

3) 电池内的气体分布均匀且没有变化。

4) 沿流动方向的变化是一维的。

基于上述假设，根据一定温度与压力条件下的物理和化学反应特性，可通过式(1)和式(2)计算出氢的输出量。在式(3)中，电流(功率)通过外部电路产生,其他相关成分(包括H2，CO，CO2和H2O)也由此产生。使用MATLAB-Simulink软件，可对重整和电化学过程进行建模。[2]燃料电池的实际电压和电流的主方程式可分别表示为

(6)

(7)

1.3MGT模型

MGT的工作输出可通过焓变和SOFC的排气流量计算,其等熵功率(Wise)、实际输出功率(Wact)和涡轮的出口温度(Tt，out)可表示为

(8)

Wact=ηtWise

(9)

(10)

2 SOFC / MGT混合动力系统的控制

2.1开机和关机的控制方案

在设计的控制系统中,保持适当的燃料和空气流量来产生输出功率是十分关键的。在混合动力系统启动之前，应检查SOFC和MGT子系统及其他相关设备，包括堆栈、扫气箱扫气、燃料、阀门位置、过滤器、风机、泵、电池及润滑油、冷却水(或油)等，无论是在手动模式还是自动模式下，都使其处在适当的状态或位置。[3]在启动过程中，SOFC堆必须先缓慢加热达到足够高温度以使CH4和H2O在燃料重整器中发生化学反应。因此，需要供给一些额外的燃料在燃料重整器中燃烧以便为SOFC堆栈预热，使其达到合适的温度。混合动力系统将按照以下控制方案启动。

1) 激活启动程序。

2) 线性控制关闭燃料旁通阀；操控流量控制阀(7)减少辅助燃料的初始值；通过调节阀(23)控制燃烧室的废气排量，并控制进栈的空气流量，以便提高堆栈温度。

3) 关闭吹扫气体阀(5)，停止惰性气体(4)的供应。

4) 当堆栈温度达到要求的数值时，逐渐减少，直至切断燃烧器的燃料供应和空气供应。同时，当燃料和燃烧空气供应减少到零时，电池堆的燃料利用率应达到约0.85。

5) 通过增加甲烷流量来缓慢增大燃料电池的输出功率。

6) SOFC的操作达到稳定状态后开始运行MGT子系统。

相反，在停机过程中，应先关闭MGT子系统，再逐渐停止SOFC系统。该控制方案如下。

1) 在关机的早期阶段，通过缓慢打开旁通阀(21)，减小供入MGT系统的废气流量和压力，直到MGT输出功率减小为零；然后从输电线上解列转换器(28)。

2) 关闭SOFC系统的功率输出，包括停止燃烧器、解除转换器(31)及关闭燃料阀(6，1)。然后，SOFC系统进入冷却状态，惰性气体经阀(5)被送入燃料电池，以防止电池正极材料在温度超过限定值时发生氧化。

3) 不断增加排气节流阀(21)的开度来增大空气流量，直到阀(21)全开。用线性控制打开换热器(16)的旁路阀(22)，使电池堆进一步冷却到一个较低的温度。

4) 一旦堆栈冷却到规定的温度，SOFC系统也将被转换到待机状态。

2.2负载变化过程中的功率控制方案

负载变化会给SOFC带来突然冲击，功率控制方案主要用来保持SOFC系统的工作处于稳定状态或控制其在一个可接受的范围内。在正常工作中，当外界负荷增加时，控制器会立即将电池或超级电容器与电源板相连(见图2)。因此，在负载变化后的一小段时间内，SOFC的输出功率可缓慢增大到一定值，且MGT也会输出所需的相应功率。电池输出功率将匹配剩余的负载。相反，当负荷降低时，将通过开启废气旁通阀(21)迅速减少流入MGT的废气量，以相应减小MGT的输出功率。这使SOFC在一定时间内以线性坡道平稳降低其功率输出，然后旁通阀线性坡道关闭以逐步提高MGT的功率输出，直至达到一个较低数值的功率平衡。当负载突然降低时，控制器会计算SOFC系统下降的功率、旁通阀的开度及用于SOFC和MGT的斜坡延伸。在图2中，过渡过程被简化为一个线性过程。

图2 各部分的功率输出变化图

2.3SOFC-MGT混合动力控制系统的开发

控制SOFC和MGT子系统，使其稳定工作是一种挑战。[3]因为在高温下,SOFC中发生着复杂的化学和电化学反应，机械转子在MGT中高速旋转，同时MGT利用的是SOFC所排出废气的能量，这些都使得系统的控制较为复杂。 ZHU等[4]分别研究燃气轮机和燃料电池系统模型，并将其结合为一个综合系统。STILLER等[5]，JIANG等[6]和MILEWSKI等[7]分别开发SOFC和MGT混合动力系统的控制方案。目前对SOFC和MGT混合动力系统随负荷变化进行功率共享的研究还较少，这里所研究的SOFC-MGT混合动力系统控制方案经验证较为实用。图3为SOFC-MGT混合动力控制系统，主要有3个控制器，分别进行温度控制、燃料使用控制和功率控制。

2.3.1温度控制

温度控制的一个主要目标是保持SOFC工作需要的温度恒定。这是因为当SOFC的工作温度超过最大值或上升太快时，热应力和热疲劳会降低燃料电池的性能,甚至影响其使用寿命。[8]在这里，SOFC电堆的温度控制是通过调节进入系统的空气流量和燃烧器的排气流量实现的。其设定的温度约为1 000 ℃，允许的最高温度应<1 050 ℃。图3中，若堆栈反馈温度低于或高于设定值，其偏差值将被发送到温度控制器，该控制器将发出PID控制信号来调节进入堆栈的空气流量，调节幅度取决于上述偏差值的大小和功率控制器反馈的信号。功率控制器的信号反映SOFC输出功率与所供空气流量之间的关系。若堆栈的温度太低，则温度控制器可启动辅助燃烧器并增加燃料流量。

图3 SOFC-MGT混合动力控制系统

2.3.2系统功率和燃料利用率的控制

在SOFC-MGT混合动力系统中，SOFC产生几乎2/3的系统电力输出功率，该输出功率会影响MGT的输出功率。因此，SOFC-MGT混合动力系统功率控制的关键在于SOFC的输出控制。功率控制器的主要功能是控制燃料流量;同时，燃料利用率(Uf)也必须控制。因为在相同的输出功率下，一个SOFC可以有不同的燃料流量和燃料利用率。如图3所示，电力负荷(作为一个设定值)将与输出功率(反馈)相比较，其偏差信号会被输送到功率控制器。[9-10]控制器有3个输出信号:第1个信号发送至燃料流量控制器，该控制器综合考虑燃料利用率设定值与反馈值的偏差后，发出PID控制信号对燃料流量进行调节；第2个信号发送至前述温度控制器；第3个信号(PI)通过调节SOFC的电压来控制其功率输出。通常情况下，燃料利用率(Uf)设定为85%左右。在考虑燃料利用率的前提下，功率控制器可随负荷的变化调节燃料流量。

3 结果与讨论

在不同的输出功率下，SOFC堆栈温度、MGT入口温度(TIT)和MGT出口温度(TOT)的变化规律见图4。由图4可知，SOFC堆栈温度几乎保持不变，MGT入口温度(TIT)随输出功率的增大而增大，MGT出口温度(TOT)随输出功率的增大而下降(原因是MGT效率提高)。在不同的负载下，SOFC和MGT的输出功率按一定规律分配(见图5)。在设计负载工况下，混合动力系统的总输出功率为210 kW，其中：约150 kW由SOFC产生；约60 kW由MGT产生。

图4 不同输出功率下各部分的温度变化

图5 不同负载下各部分的输出功率

4 结束语

对应用于船舶的SOFC-MGT混合动力系统的SOFC的改进和燃料电池堆等进行分析。[10]在改进混合动力系统的基础上，分析和讨论应用新控制方案的动态模型。新开发的控制方案不仅能对系统的启动、关闭、负荷承担和负荷变化过程进行良好的控制，还能在负载突然变化时对SOFC电池堆进行保护。新方案能对燃油流量、空气流量、SOFC电堆温度及MGT的入口和出口温度进行良好的控制，以便提高混合动力系统的效率。

[1] HE Jiqiang, ZHOU Peilin, CLELLAND D. Thermal Analysis of Integrated Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine System for Marine Application[J]. Proceedings of the International Symposium on Marine Engineering, 2011(1):17-21.

[2] LI Y, WENG Y, WENG S. Part-Load, Startup, and Shutdown Strategies of a Solid Oxide Fuel Cell-Gas Turbine Hybrid System[J]. Front Energy, 2011(2): 181-194.

[3] 崔文彬, 张余庆, 傅志超. 船舶应用燃料电池动向[J]. 航海技术,2006(3):44-46.

[4] ZHU Y, TOMSOVIC K. Development of Models for Analyzing the Load Following Performance of Microturbines and Fuel Cells[J]. Electric Power Syst. Res, 2002 (62): 1-11.

[5] STILLER C, THORUD B, BOLLAND O,etal. Control Strategy for a Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine Hybrid System[J]. Journal of Power Sources, 2006(158): 303-315.

[6] JIANG Wei, FANG Ruixian, KHAN J. Control Strategies for Start-Up and Part-Load Operation of Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine Hybrid System[J]. Journal of Fuel Cell Science and Technology,2010(7):9.

[7] MILEWSKI J, MILLER A, BADXDA K. The Control Strategy for High Temperature Fuel Cell Hybrid Systems[J]. Journal on Electronics and Electrical Engineering, 2010, 4(2):331-335.

[8] 吴明珺. 燃料电池发动机控制问题研究—气体压力控制[D]. 上海:同济大学,2007.

[9] HE Jiqing, ZHOU Peilin, CLELLAND D. The Development of Control Strategy for Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine Hybrid Power System in Ship Application[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2014,19:462-469.

[10] 孙齐虎, 章炜, 王长悦. 常规潜艇燃料电池AIP的方案设计[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(3):36-39.

ShipFuelCellHybridPowerSystemModelling

LIUYunxin，MAChuan

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

2015-12-11

刘运新(1969—), 男, 山东青岛人，副教授，主要从事船舶辅机、船舶新型动力系统及船舶自动与智能化方面的研究。 E-mail: liuyx@coscoqmc.com.cn

1000-4653(2016)01-0013-04

TM911.4; U665.1

A