一种新型船用燃料电池混合动力系统的建模

第３９卷第１期　２０１６年３月　中　国航海　ＮＡＶＩＧＡＴ１０Ｎ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２０１６　

文章编号：１０００—４６５３（２０１６）０ｌ一００１３—０４　

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）　

摘要：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。　关键词：船舶工程；燃料电池；涡轮机；控制策略；电功率；载荷变化　中图分类号：ＴＭ９１１．４；Ｕ６６５．１　文献标志码：Ａ　

Ｓｈｉｐ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　

Ｕ　Ｙｕｎｘｉｎ．　ＭＡ　Ｃｈｕａｎ　（Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｏｃｅａｎ　Ｓｈｉｐｐｉｎｇ　Ｍａｒｉｎｅｒ￣Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０７　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ（ＳＯＦＣ—ＭＧＴ）ｈｙｂｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｍ—　ｉｓｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｈｉｐｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ　ｏｎ　ｓｈｉｐｓ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ａ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎ—　ｃｙ（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　ｐａｒａｍｅ—　ｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＯＦＣ，ｃｏｖｅｒｉｎｇ　ｓｔａｃｋ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｕｅｌ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ，ｆｕｅｌ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ，ａｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　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　ｖａｔ－　ｉａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：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。…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，　

收稿日期：２０１５—１２一ｌ１　作者简介：刘运新（１９６９一），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：ｌｉ

ｕｙｘ＠ｃｏｓｃｏｑｍｃ．ｃｏｎ．ｃｎ　１４　中　国航海　２０１６年第１期　

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）送人换热器（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。　１．２　ＳＯＦＣ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（　）＿÷ＣＯ＋３Ｈ２　（１）　ＣＯ＋Ｈ，Ｏ（Ｙ）—｝ＣＯ，＋Ｈ，　（２）　Ｈ２＋　１　０２（ｚ）一ＨｚＯ　（３）　

Ｈ２　２Ｈ　＋２ｅ一　（４）　

Ｏ２＋２ｅ一＋２Ｈ　＿÷Ｈ２Ｏ　（５）　式（１）～式（５）中：　，Ｙ和　分别为ＣＨ　，ＣＯ及Ｈ　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Ｈ：，ＣＯ，ＣＯ：和Ｈ：Ｏ）　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　

～。　ＲＴ　ｎ　‰，　～　

（６）　，＝２，ｉ　Ｈ　Ｆ　（７）　

式（６）～式（７）中：　是几乎与温度　呈线性变化　

的标准电势；Ｒ和Ｆ为气体常数和法拉第常数；叼　７７　…和叼　分别为极化损失、浓差损失和欧姆损失；　

五为摩尔流量。　１．３　ＭＧＴ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（　。）、实际输出功率（　。　）和　涡轮的出口温度（　，。　）可表示为　

＝ｒｎ（ｈ“　一ｈ　）＝　

ｒｈｃ　．ｉ　（１一——　——　）　（８）　（ｐ“　／ｐ　）　

。　＝ｒ／　Ｗｉ　。　（９）　

．。　＝　，ｉ　（１一叼　（１一（Ｐｔ，ｉｎ／Ｐ　．。　）＿））　（１０）　式（８）～式（１０）中：　为ＳＯＦＣ排气气体质量流量；　

ｈ，，ｉｏ和　分别为燃气轮机入口和出口的焓；ｃ　为　

气体的平均比热；　．ｉ　，　，Ｐｔ，ｉ￣及Ｐｔ，ｏｕｔ分别为燃气　轮机入口和出口的温度与压力；ｒ为气体膨胀系数；　

叼　为涡轮等熵效率。　

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。ｌ３　在启动过程中，ＳＯＦＣ堆必须先缓　

慢加热达到足够高温度以使ＣＨ　和Ｈ　Ｏ在燃料重　

整器中发生化学反应。因此，需要供给一些额外的　刘运新，等：一种新型船用燃料电池混合动力系统的建模　ｌ５　

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），减小供人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