1.1 研究目的及意义

能源是人类社会赖以生存和发展的重要的物质基础，能源的合理开发利用能够极大地推进世界经济和人类社会的发展。过去100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是煤、石油等非可再生资源的日趋匮乏。煤炭消费量与产量基本持平甚至超出产量，这是由于当前一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。考虑到传统火力发电对自然环境的严重破坏，我们引入了燃料电池技术。燃料电池是一种通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由于具有发电效率高、安静无噪声、清洁无污染、燃料多样化等特点，因此燃料电池被称为继火电、水电和核电之后的21世纪最具有吸引力的发电方式之一。

因此，世界各国都在积极投入研发高效率、长寿命、低成本的SOFC发电系统，并致力于将其产业化。该技术的成功应用对保护生态环境、满足电能需求、缓解能源危机和加强国防建设具有极为重要的意义。

由于实物系统造价成本高，系统工作要求苛刻容易损坏，使得基于实际样机系统进行系统的分析与控制研究的风险大，成本高并且难以实现。因此，基于SOFC系统物理模型是进行系统分析与控制研究的重要工具，而以半实物平台为载体的系统模型不仅可以将系统的输入输出变成真实信号，而且更具有灵活性。为此，本课题研究外重整固体氧化物燃料电池系统，利用模型对系统性能进行更加深入的动静态分析并进行优化，寻找出不同功率负载下的最优操作点，从而对SOFC系统进行更好的控制，达到对应不同功率输出均满足系统热特性安全并实现系统最大效率稳态输出，最后使系统模型脱离仿真平台，形成半实物化对象，为系统控制器的研发打下坚实的基础。

1.2 国内外研究现状

作为一种绿色新型的发电方式，SOFC技术受到了世界各国的追捧。以美国、欧盟、日本等为代表的一些发达国家在最近几十年投入了大量的资金和人力进行SOFC发电技术的研究，目标在于实现SOFC的产业化。SOFC技术得到了极大地推动和发展。纵观国际SOFC的发展，可以概括为以政府政策为导向，以企业产业研发主体，以学校为理论先驱的三个方面。

1.2.1 国家政策

美国是研究燃料电池最早的国家之一。美国能源部1999年启动了称之为“SECA（Solid State Energy Conversion Alliance）”的计划。布什政府2004年出台了为期5年的“氢燃料计划”，并投资17亿美元启动了“燃料电池FY2004基金”项目。2009年，奥巴马政府重新启动了2003年提出的“FutureGen”计划，投资10亿美元建造美国第一座以煤为燃料的275MW零排放发电厂，并在发电的同时制氢供燃料电池使用。该计划将重点转向适用于碳基燃料的固定燃料电池发电系统，发展大规模区域集中发电的SOFC技术，将SOFC技术纳入煤清洁利用的范畴，争取在2015年建成世界第一座300 MW的以煤气为燃料的SOFC“绿色发电厂”，2020年实现这一技术的产业化。

在欧洲，欧盟及其成员国也相继启动了“SOFC600计划”、“RealSOFC计划”、“先进燃料电池计划”、“新能源和可再生能源计划”和“欧洲十年，燃料电池研究发展和演示规划”，致力于SOFC技术的研究与开发。

与此同时，日本在1993年提出了“新阳光（New Sunshine）”计划，将开发新能源、节能、环保三者进行有机结合，推动SOFC燃料电池技术的普及，其中家用及楼宇热电联供SOFC发电系统是日本研究开发的重点。

此外，为了更快地推动SOFC技术的商业化发展，各国采用技术合作共享的形式联合，美国与欧盟签订了“燃料电池文件”，与日本制订了“联合研发燃料电池与氢能技术发展协议”。世界掀起了SOFC技术发展的浪潮。

相比于发达国家，我国对SOFC技术的研究起步较晚，因此，目前的技术存在较大差距。由于我国煤炭储量丰富，传统的火力发电方式占电力的80%，利用煤炭等化石燃料发电的同时向外界排出了大量的废水、废气、废渣，生态环境遭到了严重的破坏。政府从未来能源、环境保护、电力供给、国家安全的角度出发，并综合考虑了本国资源与发展条件，于1995年颁布了《新能源和可再生能源发展纲要》，首次将燃料电池技术列入“新能源和可再生能源发展优先项目”之中，并在《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020》中明确提出了SOFC作为分布式发电技术的研究计划。随着国外SOFC技术的发展，其应用前景与政治意义日趋明朗，我国在国外对技术严格封锁的背景下，逐渐提高了对SOFC技术的扶持力度。

1.2.2 企业开发

在国家政策的推动以及SOFC技术广阔前景的驱动下，美国、德国、日本等国的企业财团也积极投身SOFC的开发。这些企业主要为国家的电力供应部门和大型汽车制造商。在政府的引导下，各企业的研究方向各有侧重，分工明确，没有出现在一个方向上扎堆研究的混乱现象。SOFC从结构来说可以分为平板式与管式，从应用领域来说可以分为小功率移动电源、数百kW级小型电站和MW级大型集中供电。由于管式SOFC在功率密度上的弱势，只有少数几个公司在进行研究，如美国的Acumentrics公司与Siemens-Westinghouse公司。Acumentrics公司研究的为1~10kW小功率移动电源，其开发的5kW微管式SOFC系统发电效率达到40~50%，运行时间超过10000hrs。Siemens-Westinghouse主要开发数百kW的固定电站，开发了220kW SOFC-GT联供发电系统，此外公司还致力于提高管式SOFC的功率密度，其设计的Delta电池将管式电池的功率密度提高了近一倍，极大地改善了管式SOFC的现状。

相比于管式SOFC，平板式SOFC发电系统的研究则规模更大，表1.1列出了目前在国际上较有影响力的公司并对其研究现状进行了介绍。

客观地说，由于SOFC研发成本高、投入大，在我们国内还没有大型公司在SOFC领域开展深入的研究，因此研究主体单一，没有百家争鸣的势头，这种研究现状不利于国内SOFC技术的发展，还有待改善。

1.2.3 高校研究

企业作为市场的开拓者，其研究更偏向于市场的实际应用。而高校作为理论的先行者，能更多地在基础性理论、设计上进行创新、改进，其一些理论成果能很方便地转化为企业所应用的技术，因此在SOFC技术的发展过程中，高校的研究起到了举足轻重的作用，例如英国Ceres Power公司的核心技术就来自英国帝国理工大学。在美国，参与SOFC研究的院校有University of Florida, University of Washington, University of Michigan, Virginia Polytechnic Institute and State University 等。但由于SOFC的实物系统研究成本极高，大部分科研院校不具备相应的研发条件，所以一般与企业共享实验数据，然后采用建模的方式进行分析、研究，或者承担一些来自政府或者企业的科研项目。其研究主要侧重于电堆的性能分析及控制系统的设计。密歇根大学安娜堡分校的燃料电池实验室有一台Siemens-Westinghouse的管式SOFC发电系统，在项目方面承担了一些军方或企业的研究、分析项目，如美国陆军研究部的“集成车载JP-8重整器的SOFC移动式辅助电源的动态建模与控制”项目与来自福特汽车公司的“混合式燃料电池车辆的控制结构优化”合作项目等等。University of Houston’s Texas Center for Superconductivity and Advanced Materials的研究者正在开发一种低价耐用的SOFC，只有糖块大小。

在国内，从“九五”计划至“十二五”计划SOFC技术均被列为重大发展项目，国家培养出了一批具有自主研究实力的科研院所，开展了从SOFC电池材料、制造，电堆密封、组装，发电系统设计、集成的一系列研究，其中主要有中科院上海硅酸盐研究所、中科院宁波材料研究所、浙江大学、哈尔滨工业大学、清华大学、华中科技大学、中国科学技术大学等等。这些团队在SOFC关键材料、电池片规模化制造和电堆的密封组装方面积累了大量的经验，获得了丰硕的成果，并具备了一定规模化生产的条件。

然而，在SOFC独立系统的设计、集成与控制方面，我国的研究起步更晚，仅在最近几年才开始。国内仅有华中科技大学、中科院大连化物研究所、中科院宁波材料研究所和中科院上海硅酸盐研究所等为数不多的科研机构开展了SOFC系统研究，也取得了一些进展。

2010年9月，华中科技大学自主研制的kW级SOFC独立发电系统的成功运行并在科技日报上进行报道，这意味着国内首台SOFC系统的诞生。目前，华中科技大学正在集中开发第二代，具有更优结构与效率的独立发电系统。中科院宁波材料研究所也完成了系统设计并铺设了系统管路平台。

SOFC发电技术的研究在国际上已经如火如荼地进行开展了十几年，至今也仅处在样机示范或者小规模的试运行阶段，商业化进程比预期的要慢很多。其根本原因在于SOFC系统的制造成本过高，系统使用寿命不如传统发电系统，正如美国SECA计划所提出的目标——“系统成本低于400$/kW”，“连续运行时间大于4万小时”，是SOFC独立发电系统大规模工业化应用的前提。

本文以1KW水蒸气外重整器燃料电池样机系统为研究背景，利用matlabamp;simulink搭建高精度的系统物理模型，对系统性能进行更加深入的动静态分析并进行优化，寻找出不同功率负载下的最优操作点，从而对SOFC系统进行更好的控制，达到对应不同功率输出均满足系统热特性安全并实现系统最大效率稳态输出。

根据华中科技大学燃料电池中心设计的1KW水蒸气外重整器燃料电池样机系统结构获得本文研究的外重整固体氧化物燃料电池系统结构，采用模块化划分的方法搭建了包括SOFC电堆、鼓风机、重整器、水蒸发器、换热器、功率变换器和尾气燃烧室的系统模型。其中，为了分析电堆中物理变量如温度、电流密度、燃料摩尔分数的空间分布和准确描述气体的换热过程，电堆、换热器为1D分布式模型，其余外围设备则为集总参数模型。在各部分模型搭建完成之后，完成独立的仿真测试，然后进行系统模型的集成与仿真联调。

图1 外重整固体氧化物燃料电池系统结构

基于SOFC系统模型，进行系统稳态性能的分析、优化以及开环动态响应的分析。首先从系统的模型中提炼面向控制的出输入输出变量，将输入合理的参数组合定义为操作点，并确定输入参数操作范围及温度约束的安全范围。以适当的精度离散化连续的输入空间，然后对系统进行稳态分析。针对系统输入变量较多，数据量大的情况，采用GAPSO优化算法或树形遍历分析的方法对SOFC系统在各个操作点上系统的稳态性能进行分析。然后以功率输出为第一性条件，温度约束为第二性条件，效率为第三性条件进行操作点的性能分析。并优化获得在保证系统在满足功率需求的同时，既能让温度约束在安全范围，又能获得最大系统效率的最优操作点，作为最优控制的参考。再采用实物样机实验获得的大量数据对系统模型进行参数校正与验证，以确保系统模型能够准确描述实物系统的动静态特性。

最后尝试将系统模型导入CSPACE半实物平台，实现系统模型脱离仿真平台，形成半实物化燃料电池系统对象，并与控制仪器进行功能信号连接,为系统控制器的研发打下坚实的基础。

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