SOFC阳极Ni催化剂的发展历程与应用前景

燃料电池是一种能量利用率高、基本不污染空气、原料充足的能源装置.目前,燃料电池主要分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)这五种基本类型.着重介绍了SOFC中Ni-ZrO2(Y2O3)金属陶瓷阳极和H2S毒化机理,综述了阳极催化剂的有关性质和存在的主要问题,展望了SOFC的应用前景,并探讨了我国SOFC发展的技术路线.     

氢能离我们还有多远--我国燃料电池现状、差距及对策

叙述了我国质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究与开发现状,特别指出在性能指标、稳定性、燃料电池系统水平和燃料电池示范深度和广度等方面我国燃料电池和国外的差距。认为根据我国的具体情况,燃料电池公共汽车和大客车将会比燃料电池轿车先得到商业化应用,因此,应加大对其投资力度。提出发展我国燃料电池的对策,建议:(1)根据国情确定研制FC的方向,我国继续以PEMFC和SOFC为重点研究开发对象,其中以PEMFC为重点,中、低温SOFC也要抓紧;(2)加强应用技术基础研究,争取在燃料电池方面有原始创新;(3)加速燃料电池实用化示范工作;(4)走引进、开发并举的道路。     

燃料预重整份额对SOFC-GT混合发电系统设计的影响

针对以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)-燃气轮机(gas turbine,GT)混合发电系统,利用平衡态重整器模型、一维SOFC模型以及搭建于Ebsilon?中的燃气轮机系统模型,在不同燃料预重整份额和SOFC燃料利用率的设计工况下,开展混合发电系统的性能分析研究。结果表明,高SOFC燃料利用率并不会对应高的系统发电效率。混合发电系统效率最高点出现在热耦合策略对系统性能影响最小的设计工况下。燃料内重整可以提高混合系统的效率,但也要求SOFC运行在极端的设计工况下;燃料外重整则可以提高系统设计的灵活性,降低混合发电系统对SOFC的依赖。仿真分析显示,通过合理配置SOFC燃料利用率和燃料重整过程,有望在不依赖燃料内重整的情况下,提高混合发电系统的发电效率。     

固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统示范工程（3）：日本三菱重工的SOFC系统

日本三菱重工于1984年开始开发固体氧化物燃料电池（SOFC）技术,于1986—1989年与东京电力株式会社合作研制管式SOFC电池堆,于1991年运行了1kW的SOFC电池堆,运行时间1000h。1993年,三菱重工研制新型1kW的SOFC电池堆成功,运行3000h。1996年,10kW常压SOFC连续运行5000h。1998年3月,三菱重工与电力开发株式会社合作,运行高压10kW级SOFC系统,SOFC阳极为NiO／YSZ,阴极为LaCoO3。设计参数为：（1）最大输出功率21kW;（2）效率35％;（3）燃料利用率75％。到1998年年中,运行4000h,功率输出稳定,千小时性能降低1％～2％。     

固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真

建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)联合发电系统,在该联合系统中SOFC不但可产生电能,同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能,提高了燃料能量转换率,也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明,在本文设计工况下,SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54％和723％,高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统;另外,合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能;SOFC燃料利用率为75％时,系统发电效率达到最大;燃料流量对系统发电效率基本没有影响。     

煤基近零排放系统中固体氧化物燃料电池本体的模拟研究

煤基近零排放(zero-emission coal,ZEC)系统采用固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)进行清洁高效发电。以西门子发电集团研发的100 kW热电联产(combined heat and power,CHP)管式固体氧化物燃料电池堆为对象,采用ASPEN流程模拟软件借助FORTRAN编程搭建了SOFC本体模型,并依据文献报道的实际运行数据,对模型进行验证分析。结果表明,该SOFC模型具有良好的可靠性,可以用于后续ZEC系统的集成研究。同时该文就不同运行条件对SOFC工作性能的影响进行了分析,发现维持电池功率恒定,电池效率在燃料利用系数为0.8左右达到峰值;在其他条件不变时,增加电流密度会使燃料电池电压下降,燃料消耗量增加,电池效率降低,电池功率在电流密度约为3 500 mA时达到峰值;随着汽碳摩尔比的增加,乏燃料循环流率增加,初级重整炉出入口温度增加,甲烷转化率上升。     

CO_2近零排放固体氧化物燃料电池冷热电联供系统的性能分析

为了提高SOFC联供系统的综合利用效率和降低CO_2捕集能耗,提出一种基于SOFC循环的CO_2近零排放冷热电联供系统。建立了系统数学模型,给出了设计工况下各点的热力参数值,分析了燃料利用率、空燃比、燃料电池入口温度与工作压力变化对系统性能的影响。结果显示,在设计工况下,SOFC发电效率、联供系统净发电效率和一次能源利用率分别为51.59%、53.84%和72.01%,与没有CO_2捕集的联供系统相比,净发电量降低了3.66%,一次能源利用率降低了2.05%。变参数研究结果显示,随着工作压力的增加,SOFC的发电效率增大,而系统净发电效率和一次能源利用率减小;另外,增加空燃比会降低SOFC发电效率、系统净发电效率和一次能源利用率,所以在保证SOFC在正常工作情况下应选择较小的空燃比。在燃料利用率和阴极入口温度变化中,SOFC的输出功率和输出电压先增加后减少,而阳极入口温度变化对SOFC性能影响较小。     

孤立直流微电网运行控制策略

以光伏阵列-燃料电池-超级电容所构成的低压单极型直流微电网为研究对象,在考虑分布式电源特性的基础上,研究该直流微电网的运行控制策略.采用开路电压比例系数法跟踪光伏阵列的最大功率;利用斜率限制器控制燃料电池功率的变化速度,防止“燃料饥饿”,进而改善燃料电池性能,提高其使用寿命;使用滑模控制实现超级电容的快充快放,稳定直流母线电压.在MATLAB/Simulink中搭建系统模型,仿真结果表明,所提控制策略可以提高能源利用率,改善系统的电能质量.     

整体煤气化固体氧化物燃料电池（IG—SOFC）发电系统

固体氧化物燃料电池（SOFC）与熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）相比,排气温度更高,有利于组织底部联合循环发电系统回收排气的余热。SOFC对燃气中杂质的容许值较高,更有利于与煤气化结合,以煤气做燃料电池的燃料,最后形成整体煤气化固体氧化物燃料电池（IG—SOFC）发电系统。     

H2-CO燃料气对SOFC性能影响研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置,使用碳氢燃料,具有很大的发展潜力.为了探究H2-CO燃料气与电极温度、进出口组分、电流密度、功率密度和超电势之间的关系,以期对SOFC的设计和运行提供帮助,建立了三维模型,并通过实验验证了模型的有效性.随燃料流量的增加,电极温度、功率密度、阴极浓差超电势先增大后减小,进出口组分改变量、燃料利用率、阳极浓差超电势减小,电流密度、活化超电势和欧姆超电势增加.H2占比越大,电池性能越好.     

Design of a 2-DOF-PID controller using an improved sine–cosine algorithm for load frequency control of a three-area system with nonlinearities

This paper proposes an improved sine–cosine algorithm (ISCA) based 2-DOF-PID controller for load frequency control. A three-area test system is built for study, while some physical constraints (nonlinearities) are considered for the investigation of a realistic power system. The proposed method is used as the parameter optimizer of the LFC controller in different scenarios. The 2-DOF-PID controllers are used because of their capability of fast disturbance rejection without significant increase of overshoot in set-point tracking. The 2-DOF-PID controllers’ efficacy is observed by examining the responses with the outcomes obtained with PID and FOPID controllers. The simulation results with the suggested scheme are correlated with some of the existing algorithms, such as SCA, SSA, ALO, and PSO in three different scenarios, i.e., a disturbance in two areas, in three areas, and in the presence of physical constraints. In addition, the study is extended to a four-area power system. Statistical analysis is performed using the Wilcoxon Sign Rank Test (WSRT) on 20 independent runs. This confirms the supremacy of the proposed method.     

混合能源直流微电网能源优化管控策略研究

混合能源直流微电网在快速跟踪负载方面具有较大优势,弥补了固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,SOFC)直流微电网功率跟踪缓慢的问题。现有能源管控策略重点关注能源分配,对系统效率、运行安全性和燃料亏空方面缺乏相关研究和成熟策略。为此,提出了一种混合能源直流微型电网能源优化管控策略。首先,搭建了混合SOFC直流微电网模型。其次,采用最优操作点(optimal operating points, OOPs)实现最大效率,然后采用平均电流控制模式保证稳定的电力供应。最后,设计了基于SOFC电流的时滞控制算法来避免燃料亏空。实验结果表明,所提出的能源优化管控策略具有时间响应迅速、输出效率高和热特性良好等优势。     

固体氧化物燃料电池发电系统模型建立及逆变器仿真研究

以固体氧化物燃料电池发电系统为研究对象,以释放变换器上电感能量,减少电容充电时间为目的,提出了在DC/DC变换器中增加一个反激式绕组。该反激式绕组的输出端、接地端分别与DC/DC变换器的输出端、输出接地端相连,构成输出回路,以释放输入电感启动时多余能量,保证输出直流母线电压的稳定性。逆变器输出电压控制采用模糊PID控制策略,可在固体氧化物燃料电池输出电压不稳定时,通过监测该系统的输出电压和给定电压差值,在线调整KP、Kd、Ki控制输出量。该控制策略与传统PID控制策略进行了比较,比较结果证明其性能优于传统PID控制策略。采用Matlab软件搭建系统模型,固体氧化物燃料电池发电系统的仿真研究验证了以上的理论分析。     

微电网中SOFC发电系统控制策略的研究

研究了按主从方式运行的微电网中,以固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统为主控机的控制策略。将该发电系统划分为原动机模块及接口模块两部分,探讨了功率偏差与模块间直流电压的相关性。在考虑电池利用率指标对安全运行影响的前提下,分别为DC/DC变换器以及逆变器设计了多环反馈控制器,使SOFC发电系统通过模式开关切换,在微电网联网模式下输出设定功率;在孤岛模式下作为平衡机组,输出给定电压并为微电网提供频率参考。还引入了直流电压-频率下垂特性,将主控机与负载之间的有功偏差转化为全网的频率偏差,则微电网中的一次调频机组据此调整出力,以达到改善网络暂态响应特性的目的。仿真分析验证了该控制策略的正确性。     

燃料电池并网发电控制系统的研究

针对传统的燃料电池并网控制系统普遍存在的动态响应不快的问题,重点研究了并网控制系统的拓扑结构和控制策略,提出了DC/DC变换器和DC/AC逆变器的设计思路,重点分析了有功和无功功率解耦滞环控制策略的设计方法,并给出了实现方案。基于Matlab/Simulink仿真环境建立了6 kW燃料电池并网系统模型,对系统拓扑结构和控制方法进行了验证,证明了文中方法的正确性和有效性。     

Comprehensive summary of solid oxide fuel cell control: a state-of-the-art review

A thermoelectric generation (TEG) system has the weakness of relatively low thermoelectric conversion efficiency caused by heterogeneous temperature distribution (HgTD). Dynamic reconfiguration is an effective technique to improve its overall energy efficiency under HgTD. Nevertheless, numerous combinations of electrical switches make dynamic reconfiguration a complex combinatorial optimization problem. This paper aims to design a novel adaptive coordinated seeker (ACS) based on an optimal configuration strategy for large-scale TEG systems with series–parallel connected modules under HgTDs. To properly balance global exploration and local exploitation, ACS is based on ‘divide-and-conquer’ parallel computing, which synthetically coordinates the local searching capability of tabu search (TS) and the global searching capability of a pelican optimization algorithm (POA) during iterations. In addition, an equivalent re-optimization strategy for a reconfiguration solution obtained by meta-heuristic algorithms (MhAs) is proposed to reduce redundant switching actions caused by the randomness of MhAs. Two case studies are carried out to assess the feasibility and superiority of ACS in comparison with the artificial bee colony algorithm, ant colony optimization, genetic algorithm, particle swarm optimization, simulated annealing algorithm, TS, and POA. Simulation results indicate that ACS can realize fast and stable dynamic reconfiguration of a TEG system under HgTDs. In addition, RTLAB platform-based hardware-in-the-loop experiments are carried out to further validate the hardware implementation feasibility.     

燃料电池系统宽范围输入电压变换器设计

燃料电池输出特性较软使得其系统中单向DC/DC变换器需要较宽的输入电压,从而限制了该变换器的应用。文章利用双管Buck-Boost级联电路可根据输入电压的大小自动切换升/降压工作状态来获得合适的恒定的输出电压的优点,对该级联电路设计了基于平均电流控制的电压、电流双闭环控制环路,从而实现其在宽范围输入电压下得到恒定的输出电压,可为燃料电池系统后级变换器提供稳定的输入电压,并降低其设计和优化的难度,还有效解决传统单管Buck-Boost电路开关管电压应力过高的问题。仿真和小功率样机的实验研究验证了所提采用双闭环控制环路的升降压变换器在宽范围输入电压下均具有良好的性能。     

分布式发电中燃料电池的建模与控制

合适的燃料电池(fuel cell,FC)动态模型对分布式发电技术的研究起着很重要的作用。提出了非线性质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的动态模型,该模型考虑了燃料利用率的影响和各种反应物随时间变化的压力。并在该模型的基础上,应用电池效率和发电经济性分析得出了燃料利用率一般控制在0.7~0.9范围内比较好。详细阐述了FC在并网运行时的控制策略,以及在含FC发电系统的潮流计算中,将FC的并网节点当作PV节点来处理。     

固体氧化物燃料电池的效率分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有很高的理论能量转换效率,但是目前报道的实际SOFC单体性能远不能达到理论转换效率。从热力学理论及实验数据出发解释了SOFC单体性能远不能达到理论效率的原因,针对电压效率、电流效率和燃料利用率分别提出了相应的改进方法,为SOFC的进一步发展提供理论依据。其中温度对电压效率、电流效率和燃料利用率有重要的影响,提高温度可以提高这三者的值,但是提高温度将降低SOFC的热力学理论效率。     

高效燃料电池发电系统前级DC/DC变换器

燃料电池产生的直流电能随负载变化很大,为了在用户端得到稳定可靠的电能,必须加入功率调节环节.采用移相全桥ZVS DC/DC变换器作为一个5kW燃料电池分布式并网发电系统的前级变换器.介绍了主要的设计思路,然后以提高DC/DC变换器的效率为目的,进行了损耗分析.最后,在实验样机上验证了理论分析和设计的正确性.