摘 要

固体氧化物燃料电池是一种高效环保、成本低廉、性能优异的基于固体电解质的燃料电池，也是一种在能源短缺的未来具有最大发掘潜力的能源转换设备之一。固体氧化物燃料电池产物为水及少数二氧化碳，对环境影响甚微，但其能量转换效率较高，且燃料来源范围广且廉价，逐渐受到各大车企的青睐。本文便采用了固体氧化物燃料电池作为增程器，既解决了里程不足的缺点，也不会污染环境。而且本文用乙醇做燃料，电池堆外重整制氢，既解决了氢气制造及运输成本，也免去了质子交换膜燃料电池昂贵的反应催化剂和交换膜，而固体氧化物燃料电池的电解质为固态，相比于液态电解质电池也避免了不少麻烦。本文重在以用于电动汽车的燃料电池增程器技术为基础，与常规电动汽车进行对比分析，突出燃料电池增程器的优越性。针对动力储能电池、电动机等主要动力部件的要求，重点研究开发基于固体氧化物燃料电池汽车的的增程器，根据汽车的动力性能指标进行增程器的部件选型以及参数匹配计算，然后对所选择的部件进行布置方案设计，最后对电池堆模块进行基于MATLAB/simulink的仿真，通过对电池的输出性能仿真，这样可以更好的可以明白SOFC的反应机理以及为固体氧化物燃料电池的设计提供充足的理论依据。

关键词：增程器；固体氧化物；燃料电池；simulink仿真

Abstract

The solid oxide fuel cell is a highly efficient, environmentally friendly, low-cost, high-performance solid-electrolyte-based fuel cell, and is one of the energy conversion devices that has the greatest potential for exploration in the energy shortage. The solid oxide fuel cell product is water and a small amount of carbon dioxide, but has little impact on the environment, but its energy conversion efficiency is high, and its fuel source range is wide and cheap, and it is gradually favored by major car companies. This article uses a solid oxide fuel cell as a range extender, which not only solves the shortcomings of insufficient mileage, but also does not pollute the environment. In addition, the use of ethanol as a fuel and hydrogen reforming outside the battery stack not only solves the cost of hydrogen production and transportation, but also eliminates the expensive reaction catalyst and exchange membrane of the proton exchange membrane fuel cell. The electrolyte of the solid oxide fuel cell is Solid state, compared to the liquid electrolyte battery also avoids a lot of trouble. This article focuses on the use of fuel cell extender technology for electric vehicles and compares it with conventional electric vehicles to highlight the advantages of fuel cell extenders. Focusing on the requirements of power-storage batteries, motors and other major power components, we will focus on research and development of range extenders based on solid oxide fuel cell vehicles. Based on the dynamic performance indicators of the vehicle, component selection and parameter matching calculations for the range extender will be carried out. The arrangement design of the selected components is performed. Finally, the MATLAB/simulink simulation is performed on the battery stack module. Through simulation of the output performance of the battery, we can understand the reaction mechanism of the SOFC and provide sufficient solid oxide fuel cell design.with theoretical basis.

Key Words：Range extender; solid oxide; fuel cell; simulink simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2国内外的发展现状 1

1.2.1国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 2

1.3课题的介绍 2

1.4 课题的研究内容 3

第2章 电动汽车增程器的设计 4

2.1 基于SOFC的电动汽车增程器的特点 4

2.2 增程器结构分析与比较 4

2.2.1“发动机 发电机”型增程器 4

2.2.2质子交换膜燃料电池型增程器 4

2.2.3固体氧化物燃料电池型增程器 5

2.3基于SOFC的电动汽车增程器的部件及连接件选择 5

2.3.1驱动电机的选择 5

2.3.2 蓄电池的选择 5

2.3.3 燃料电池的选择 6

2.4 基于SOFC的增程器的参数设计 7

2.5 小结 8

第3章 增程器的总成及零部件的结构设计 9

3.1增程器燃料电池堆的设计 9

3.2增程器燃料电池系统设计 9

3.2.1鼓风机和风机的选择 10

3.2.2压缩机的选择 11

3.2.3燃料电池泵 11

3.2.4重整器的选择 12

3.2.5 DC/DC转换器的选择 12

3.3增程器各部件的布置方案设计 13

3.4小结 13

第4章基于MATLAB/simulink的燃料电池仿真 15

4.1模型的建立 15

4.1.1模型的假设 15

4.1.2电压损失 15

4.2基于MATLAB/simulink的SOFC仿真模型的建立 17

4.3稳态仿真模型的结果分析 21

4.4本章小结 24

第5章 总结与展望 27

参考文献 28

附录A 30

致谢 33

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

如今在这个世界，环境受到污染，能源出现危机等问题越来越严峻，随着时代的发展，传统的汽车行业也在不断进步，环境污染是现在燃料汽车存在的主要问题之一，为减少排放、改善能源的利用状况，发展新能源汽车势在必行。内燃机作为动力的汽车造成了不小的污染，特别在一些人口稠密、交通发达的大中城市，情况愈加严重^[1-2]。电动汽车以电力驱动车轮，行驶无排放(或较低排放)，噪声较低，能量转化效率比内燃机汽车高很多。目前已有的新能源汽车有混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FC）等，其中纯电动汽车虽然可以达到零排放的目的，但是其电池用量很大才能满足历程要求，同时电池的深度DOD放电也会影响电池寿命，当然更加少不了大功率的充电站，加大了运行成本^[3]。至于燃料电池车是最近热议的话题，从第一代的磷酸型燃料电池到第二代熔融碳酸盐，再到现在的质子交换膜燃料电池，电池的一代代进步，其性能也一步步提升，但是即使是现在燃料电池车用的最多的质子交换膜燃料电池（PEMFC）， 由于其面临诸如氢气来源、运输、储存以及贵金属催化剂等众多尚未完全解决的难题，人们迫切希望能够采用碳氢化合物去取代氢作燃料的固体氧化物燃料电池SOFC能取得突破。使用碳基燃料有不少优势，价格相对的便宜，而且易于对其储存和运输，除此之外安全性好，特别是燃料的来源非常广。 它既可是煤的气化产物、煤层气，也可以是天然气、液化石油气，还可以是生物质气、乙醇等生物质能。同时为了满足汽车里程的需要，增程式汽车就发挥出他的作用。在汽车动力电池消耗到一定程度时增程器开始工作为其续航的同时，也为动力电池充电达到增加里程的目的。基于此背景和学校的安排，进行了本课题的研究——基于固体氧化物燃料电池的电动汽车增程器设计。

1.2国内外的发展现状

1.2.1国外发展现状

固体氧化物燃料电池是在等温条件下直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的效率最高的设备^[4]。它是由氧化纪稳定氧化错（YSZ）陶瓷制成的固体氧化物电解质组成，YSZ 在 600～1000℃的温度范围内为氧离子导电体。这样的陶瓷可以使氧原子在多孔阴极的表面得到电子，从而被还原为氧离子，然后氧离子通过陶器电解质传输到燃气非常充足的多孔阳极，便与氢气发生反应，并向外电路释放出电子，形成电流。这种电源的优点在于可以不用贵金属催化剂，节约了成本，主要缺点在于其高温时的工作条件以及随之会遇到的材料耐高温、耐腐蚀的问题^[5]。但不久前国外研制出的中温固体氧化物燃料电池成功的解决了上述问题。这种电池在400～600℃时便具有比普通SOFC高几个数量级的电导率，同时也降低了成本^[7]。增程器经历了由发动机加发电机的组合到质子交换膜燃料电池再到固体氧化物燃料电池的转变，继通用汽车中国公司宣布全球首款量产增程式电动汽车雪佛兰Volt将正式登陆中国之后，奇瑞也宣布两款增程式电动汽车将上市，成为Volt的“中国对手”^[8]。2014年晚期，丰田开始宣传氢燃料电池汽车Mirai。今年刚开始，本田已经开始着手销售Clarity燃料电池汽车。但是两款汽车的现在产量并不高，主要还是因为成本比较高。和竞争对手的相关技术不同，日产不需要将氢气存储在汽车的氢瓶之内，不需要在汽车中安装氢瓶，连燃料供应站都可以不用。除此以外，还可以用乙醇当做燃料，日产在2016年6月公开在开发用乙醇作为氢源来运用到燃料电池汽车上。根据日产的具体规划，2020年新燃料电池就将在汽车上商用。

1.2.2 国内发展现状

国内对于固体氧化物燃料电池的研究起步较晚，但随着我“十一五”和“863”电动汽车课题的启动，国内各大车企也加大了开发力度，国家也联系资助了固体氧化物燃料电池相关技术的研究，并取得了一定的成绩。除此之外，科技部也资助了多个目标导向型863项目，如期完成“2kwSOFC发电系统”的目标。2008年，国家自然科学基金委员会和中国科学院也都专门设立了相应的重点项目和创新项目。虽然中国与发达国家在固体氧化物燃料电池研发方面差距还很大，但2008 年在我国承办的奥运会上成功采用燃料电池客车完成运输任务，我国在燃料电池的研究上更进一步。各大高校也积极参与固体氧化物燃料电池的深入研究，中国矿业大学（北京）开展了有关固体氧化物燃料电池的相关基础研究，针对电池封装材料进行深入钻研。华中科技大学主要研究阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池发电系统。清华大学则把研究重点放在低温固体氧化物燃料电池上。固体氧化物燃料电池在固定电站、移动电源的使用，促进了人们对固体氧化物燃料电池变换器的研究^[9]。国内对基于燃料电池的增程器的研究相比于国外，起步也稍晚。国内学者对于燃料电池的研究有很大的热情，其中对于固体氧化物燃料电池的研究深度虽然不及质子交换膜燃料电池那么的深入，但是由于其大大降低成本，解决了重大难题，对SOFC的研究会越来越深入，基于SOFC的增程器的设计及相应的技术与应用也会越来越多。

1.3课题的介绍

固体氧化物燃料电池，其实就是一种将化石燃料里面的化学能，通过化学反应的方式，将其转换为电能的电化学设备。在固体氧化物燃料电池里面，固体电解质用来传递氧离子和分隔燃料与空气。而当固体氧化物燃料电池运转时，氧离子经过电解质由阴极流向阳极，电子经过外电路由阳极流向阴极。在本文中，固体氧化物燃料电池将作为储备动力源来给动力锂电池充电以达到增加电动汽车里程的作用。相比之前的“发动机 发电机”型增程器以及质子交换膜燃料电池作增程器，固体氧化物燃料电池的优点就很明显了，不仅绿色环保，无污染，而且降低了对氢气的需求，减少了储氢的成本以及催化剂的成本。除此之外，本文的固体氧化物燃料电池增程器是可拆卸的，根据车主自己的需要选择要不要装上增程器，减少不必要的载荷，而且燃料用尽以后重新装入燃料也是很方便的。

1.4 课题的研究内容

对于以上的设计，需要进行以下5个部分的研究：

（1）对所选课题有什么目的和意义进行大致说明，此外对课题的研究背景进行了介绍，由此引出研究对象。对于国内外研究现状进行综述，从而引出自己的研究内容。

（2）将纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车三者进行对比分析突出燃料电池增程器的优势，可以从动力锂电池的电池容量、电池DOD放电的程度、电池的寿命、是否需要大型充电站等方面一一分析。

（3）根据给定的整车参数，选定最高车速，爬坡能力，加速能力为动力性能指标，分别计算三项指标数值，再根据锂电池的电压、容量及SOC值确定增程器的输出电压来进行增程器的选型。

（4）增程器总成采用可拆卸式结构，需进行综合比较从就进法、最小空间法、模块化法中选择最优解。然后基于CATIA等三维软件来完成燃料系统子模块、燃料电池系统及其管理系统子模块、电源系统及其管理系统子模块 3 部分的立体建模。

（5）对固体氧化物燃料电池的稳态特性进行基于MATLAB及simulink的仿真分析，通过对其电流发生正相关变化时电池实际输出电压及损失的极化电压的变化得出固体氧化物燃料电池内部性能。

电动汽车增程器的设计

电动汽车增程器是一种用于增加新能源汽车续航里程的动力装置，而基于SOFC的增程器是以燃料电池为核心，通过输出电能给动力电池充电，然后驱动电机转动，从而达到增加电动车里程的作用。

2.1 基于SOFC的电动汽车增程器的特点

作为一种新型的，有发展前景的增程器，相比于传统的“发动机 发电机”的增程器，其具有以下这些优点：

1. 以燃料电池为能源的增程器其工作效率就比以内燃机和发电机组合的增程器效率高的多。
2. 续航里程较长。
3. 绿色环保。增程器以乙醇为原燃料，燃料电池部分以经过重整器重整后的氢气为燃料，无燃烧过程，生成物为无污染的水和少量含碳化合物气体，接近零排放。
4. 由于不需要热机做工，所需要的零件数量较少。
5. 过载能力强。在短时间内过载能力可以达到额定功率的2倍。
6. 方便拆卸。可根据自身实际所需里程来确定是否安装增程器，减少车重。
7. 不需要加氢站或者充电站，节约了成本，且燃料更换方便。

随着电动汽车的发展，燃料电池增程器的问题也有显现：

1. 成本高。燃料电池和内燃机相比，在成本方面有不小的差距。燃料电池中的贵金属催化剂价格较贵，从而导致燃料电池成本较高。
2. 在碳氢燃料的燃料电池汽车中，气体需要经过重整器重整，而且可能会产生少量有毒气体，使系统变得复杂。

2.2 增程器结构分析与比较

电动汽车增程器可以分为“发动机 发电机”类增程器和燃料电池增程器，而燃料电池增程器一般用的较多的是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。

2.2.1“发动机 发电机”型增程器

增程式电动车当其当电池充满电时，电池驱动电机驱动车辆。 发动机不参与工作。 当电池功耗达到一定值时，发动机启动，发动机带动发电机为电池提供能量给动力电池充电。当电池电量重新回到一定阈值时，控制器控制燃料电池停止充电。 由此可见，所谓的“发动机 发电机”型增程器就是指增程式电动车的发动机通过发电机发电给动力电池充电。因为增程器不直接驱动车辆行驶，同时受体积重量限制，增程器一般排量较小，功率因而也受限。

2.2.2质子交换膜燃料电池型增程器

增程式电动车当电池电量消耗到一定程度时，质子交换膜燃料电池开始工作，燃料电池通过化学反应将来自氢瓶的氢气的能量转化为电能，给动力电池充电。当电池电量充满到一定程度时，燃料电池系统又停止工作，由电池驱动电机，驱动汽车行驶。由此可见，所谓的质子交换膜燃料电池型增程器就是指增程式电动车的燃料电池系统通过化学反应发电给动力电池充电，以达到增加汽车里程的目的。

2.2.3固体氧化物燃料电池型增程器

增程式电动车固体氧化物燃料电池开始工作，燃料电池通过化学反应将来自碳氢燃料经过重整器重整后得到的氢气的能量转化为电能，给动力电池充电，驱动汽车行驶。由此可见，所谓的SOFC型增程器就是指增程式电动车的SOFC燃料电池系统通过化学反应发电给动力电池充电。其原理如图先将碳基燃料进行重整制氢，然后氢气进入燃料电池，电化学反应产生电能，通过DC/DC转换电压给动力电池充电，然后驱动电机运转，带动驱动轴驱动车轮，实现汽车行驶。

现在燃料电池车用的最多的质子交换膜燃料电池（PEMFC）， 人们迫切希望能够采用碳基材料去取代氢作燃料的SOFC能取得突破。使用碳基燃料有许多优势。所以本文所研究的增程器燃料电池选择了固体氧化物燃料电池符合研究目的。

图 2.1 固体氧化物燃料电池电动车的原理图

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