吳肖龍， 夏 勇， 胡凌燕， 余運(yùn)俊， 夏志平， 李 曦

（1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330031；2.華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

固體氧化物燃料電池系統(tǒng)是通過將碳?xì)淙剂献鳛殛枠O氣體供給、空氣作為陰極氣體供給，在系統(tǒng)內(nèi)部的電堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的設(shè)備［1-2］，該類技術(shù)在日產(chǎn)汽車、海洋裝備等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，取得了產(chǎn)業(yè)化的突破［3-4］。然而，隨著市場化需求的不斷提升，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的成本較高，這為系統(tǒng)開發(fā)和產(chǎn)品測試都帶來了較大的不利因素。因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的長期運(yùn)行，不但會(huì)消耗大量的實(shí)驗(yàn)氣體（純氫氣或天然氣等燃料），同時(shí)大量的可燃?xì)怏w存儲(chǔ)還嚴(yán)重威脅操作人員生命安全，給發(fā)電過程帶來極大的安全隱患。研究表明，在系統(tǒng)發(fā)電的過程中屬于低電壓大電流的放電形式，期間伴隨著電化學(xué)反應(yīng)，高溫燃燒反應(yīng)，氣體傳輸?shù)冗^程，這些都給實(shí)驗(yàn)帶來了不安全因素［5-6］。目前，現(xiàn)有高校的燃料電池實(shí)驗(yàn)室多以質(zhì)子交換膜燃料電池作為研究對象［7-9］，固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)多為電堆測試爐平臺(tái)［10］，難以模擬復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)多運(yùn)行工況的發(fā)電及各電廠輔助設(shè)備（Balance of plant，BOP）子部件的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)可操作性差且匹配度低，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)準(zhǔn)確度和對新能源類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求［11-13］。實(shí)驗(yàn)室先前建設(shè)的燃料電池電堆測試模擬反應(yīng)裝置［14］，主要由高溫恒溫爐、氣體供給子系統(tǒng)、重整反應(yīng)子系統(tǒng)、電特性監(jiān)測、溫度控制子系統(tǒng)和尾氣處理子系統(tǒng)組成，占地面積大，操作復(fù)雜，密封性和熱平衡性差。為維持電堆測試爐處于高溫恒溫狀態(tài)，測試爐需要在更高的溫度下長時(shí)間工作，以維持燃料電池電堆的穩(wěn)態(tài)工作。這樣的測試平臺(tái)對環(huán)境適應(yīng)性差，不利于產(chǎn)業(yè)化和市場化，應(yīng)用程度化低。實(shí)驗(yàn)時(shí)燃料電池電堆處于穩(wěn)態(tài)，不能模擬在復(fù)雜環(huán)境（可變負(fù)載需求、可變環(huán)境溫度等情況）下的發(fā)電動(dòng)態(tài)工況。因此，亟須建設(shè)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置由動(dòng)態(tài)反應(yīng)裝置、監(jiān)測控制、氣體供給及尾氣處理子系統(tǒng)組成。固體氧化物燃料電池電堆是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置的核心，是通過電化學(xué)反應(yīng)將化石燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，由兩個(gè)多孔電極與電解質(zhì)結(jié)合成三明治結(jié)構(gòu)，僅有4個(gè)功能組件：陰極、陽極、電解質(zhì)和連接體?？諝饬餮仃帢O注入后，氧分子在陰極和電解質(zhì)間，從陰極取得4個(gè)電子而分裂成2個(gè)氧離子滲透、遷移至電解質(zhì)和陽極之間，與從陽極注入的氫發(fā)生反應(yīng)生成H2O、CO2和釋放熱量。同時(shí)，電子通過陽極、外電路回到陰極產(chǎn)生電能。該系統(tǒng)通過控制燃料、空氣的供給流速和負(fù)載電力需求（電流），以控制電堆內(nèi)的高溫環(huán)境，進(jìn)而促使電堆進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。固體氧化物燃料電池堆內(nèi)環(huán)境溫度、壓力和氣流速度的合理控制，是實(shí)現(xiàn)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)反應(yīng)條件模擬的關(guān)鍵。發(fā)電系統(tǒng)所需的氣體先置于儲(chǔ)氣罐中，電堆放置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用保溫棉進(jìn)行隔熱保溫，利用重整器和尾氣燃燒室對傳輸介質(zhì)——?dú)怏w進(jìn)行升溫，進(jìn)而提升電堆的環(huán)境溫度和實(shí)現(xiàn)電控裝置動(dòng)態(tài)模擬。此外，冷卻水箱對尾氣進(jìn)行降溫處理，并輔助電堆維持溫度的恒定，電堆的最佳工作溫度為700～850℃。

監(jiān)測控制系統(tǒng)由程序控溫裝置、測溫裝置、壓力表、安全閥和壓力傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)用于控制電堆的升溫速度，溫度的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)依靠位于保溫棉內(nèi)與固體氧化物燃料電池堆體所接觸的側(cè)面蓋板上的溫度傳感器。溫度傳感器與PLC控制器相連接，通過通信接口將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)輸出至工控機(jī)的組態(tài)界面上。壓力的監(jiān)測采用在電堆的陰陽極出入口連接壓力傳感器。當(dāng)反應(yīng)壓力接近安全范圍內(nèi)的最大值時(shí)，需盡可能地降低氣體供給，從而保護(hù)燃料電池電堆的安全，進(jìn)而保證發(fā)電實(shí)驗(yàn)的安全。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)還可設(shè)定記錄頻率及間隔，全程記錄反應(yīng)過程中的溫度、壓力、氣體流速和電特性等參數(shù)。

尾氣處理系統(tǒng)由氣體預(yù)混、點(diǎn)火燃燒、旁路空氣、氣體分離器、冷凝器、真空泵、冷卻水系統(tǒng)等組成。尾氣處理系統(tǒng)將固體氧化物燃料電池電堆的陰陽極出口氣體首先進(jìn)行預(yù)混，再將其送入尾氣燃燒腔室進(jìn)行高溫燃燒，以消耗多余未燃燒的燃料氣體，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的平衡。尾氣燃燒室的廢氣在進(jìn)氣燃料和空氣的作用下被吹出，然后進(jìn)入重整器對重整過程高溫供熱，以保證甲烷與水蒸氣的重整制氫反應(yīng)充分進(jìn)行。重整反應(yīng)屬于高溫吸熱反應(yīng)，從重整器流出的廢氣繼續(xù)和新通入系統(tǒng)內(nèi)的室溫空氣和燃料進(jìn)行換熱，進(jìn)而縮小固體氧化物燃料電池電堆陰陽極氣體入口處的溫度差。在經(jīng)過重整供熱和多次換熱后，此時(shí)的廢氣溫度已降至約200℃，再將其通入冷卻水中進(jìn)一步換熱，以提升冷卻水溫。被提升溫度后的冷卻水可以用于民用生活所需，同時(shí)廢氣的溫度已降至室溫附近，可正常排出，以保證固體氧化物燃料電池系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的安全。這樣，在熱電聯(lián)供的狀態(tài)下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了效率的最大化。

同時(shí)，反應(yīng)過程中也可對各部件在反應(yīng)過程中的產(chǎn)物進(jìn)行捕獲。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生模擬系統(tǒng)下固體氧化物燃料電池電堆的電化學(xué)放電反應(yīng)特性，其關(guān)鍵在于不同工況條件下收集與檢測燃料電池系統(tǒng)熱電特性參數(shù)——各關(guān)鍵部件的溫度和電堆的熱電特性?；诖藙?dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，將有助于學(xué)生深入認(rèn)識燃料電池系統(tǒng)發(fā)電機(jī)理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)發(fā)電特性的關(guān)鍵規(guī)律，為系統(tǒng)的管控提供思路。

2 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)要求獲得不同系統(tǒng)工況下固體氧化物燃料電池系統(tǒng)發(fā)電特性，系統(tǒng)地探究發(fā)電過程中電堆熱電特性的變化以及系統(tǒng)輸入的變化。實(shí)驗(yàn)過程需要考慮燃料電池電堆中電池片片數(shù)、單電池片電壓、燃料流速、溫度、U-I特性等因素的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

基于本動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行固體氧化物燃料電池系統(tǒng)發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：①向燃料電池電堆頂部通入6 MPa的氮?dú)庾鳛檩d氣，使得電堆結(jié)構(gòu)固定；②往系統(tǒng)內(nèi)通入少量的氫氮?dú)猓ê?%的氫氣）和空氣以進(jìn)行系統(tǒng)的氣密性檢查，檢測點(diǎn)主要為固體氧化物燃料電池電堆的陰陽極出入口及電堆側(cè)蓋表面，以防止漏氣或者電堆陰陽極氣體互通；③將少量的燃料（甲烷）和適量的空氣通入到系統(tǒng)中，對系統(tǒng)尾氣燃燒室進(jìn)行點(diǎn)火測試；④設(shè)定系統(tǒng)發(fā)電溫度為650℃，升溫速率1℃／min，總測試時(shí)長200 h；⑤發(fā)電結(jié)束后，停止燃料的供給和關(guān)閉負(fù)載，將系統(tǒng)內(nèi)通入氫氮?dú)猓?%的氫氣）進(jìn)行系統(tǒng)降溫，以防止電堆內(nèi)部材料的氧化，保護(hù)電堆特性；重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的模擬。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄固體氧化物燃料電池系統(tǒng)內(nèi)各子部件的溫度和電堆的U-I特性數(shù)據(jù)，可以間接反映氣體供給量、溫度、電特性等隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系，如以某次發(fā)電實(shí)驗(yàn)中，電堆升溫至發(fā)電溫度650℃，發(fā)電初期的實(shí)驗(yàn)工況為例，繪制了如圖2所示的系統(tǒng)燃燒室溫度、電堆溫度、電壓、電流與功率隨時(shí)間變化曲線。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前期電堆、燃燒室溫度、電流與電壓隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可見，實(shí)驗(yàn)開始后先經(jīng)過約10 h的升溫后，電堆環(huán)境達(dá)到650℃，系統(tǒng)才可以進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，這個(gè)過程是用于激活電堆的發(fā)電特性，這是由于隨固體氧化物燃料電池電堆溫度升高，到達(dá)了電堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所需的溫度。實(shí)驗(yàn)10～20 h為電流拉升階段，而系統(tǒng)電壓值隨時(shí)間呈現(xiàn)出階梯性下降趨勢，說明該過程中電堆內(nèi)部發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)（在高溫和電極材料催化的作用下，陰極空氣中的O2被催化裂解為O2－，在電化學(xué)勢差的作用下，O2－離子穿過離子電導(dǎo)的陶瓷電解質(zhì)隔膜片到達(dá)陽極，與燃料中的氫氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成水和CO2。同時(shí)陽極釋放出2個(gè)電子，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，對外形成電流，其中陽極：H2＋O2－→H2O＋2e－，陰與此同時(shí)，電堆內(nèi)的溫度隨時(shí)間先緩慢上升后趨于穩(wěn)態(tài)。這是由于燃料電池工作初期，電堆的電特性被激活，電堆進(jìn)入電化學(xué)極化區(qū)，此時(shí)電堆溫度會(huì)隨著放電電流的增加而提升，在燃料未能及時(shí)補(bǔ)給的情況下，電壓的下降是正常現(xiàn)象。只有補(bǔ)充足夠的燃料才能維持電堆電壓恒定。

隨燃料電池電堆溫度的升高，放電特性逐步進(jìn)入最佳狀態(tài)，此時(shí)的電堆性能逐步穩(wěn)定，這說明電堆進(jìn)入了歐姆極化區(qū)，如圖3所示。因?qū)嶒?yàn)測試時(shí)間遠(yuǎn)低于固體氧化燃料電池壽命時(shí)間，因此，濃度極化區(qū)這里不做討論。

圖3 SOFC電堆極化曲線

在實(shí)驗(yàn)中后期達(dá)到電堆放電最佳特性后，又根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)工況模擬情況，記錄下如表1所示的燃料輸入、電堆電池片屬性和電堆溫度-電流-功率（T-I-P）的關(guān)系。

表1 不同實(shí)驗(yàn)工況下模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同電池片的系統(tǒng)響應(yīng)特性比較，采用燃料流速0.05 mol／s作為基準(zhǔn)。不同電池片的電堆在測試過程中，電堆的溫度和放電功率隨單電池片電壓變化的響應(yīng)曲線如圖4所示。不同燃料流速下的系統(tǒng)響應(yīng)比較，采用電池片為40片的電堆作為基準(zhǔn)。不同燃料流速下，電堆的溫度和放電功率隨單電池片電壓的曲線如圖5所示。

圖4 不同電池片數(shù)下電堆溫度和放電功率值隨單電池電壓的變化曲線

圖5 不同燃料流速下電堆溫度和放電功率隨單電池片電壓的變化曲線

由圖4可見，在相同電池片片數(shù)組成的電堆中，電堆溫度隨單電池片電壓的升高基本呈線性降低的趨勢，說明單電池片電壓越高，單電池片參與電化學(xué)反應(yīng)的面積越大，在燃料流速不變的情況下，單位面積內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)程度降低，導(dǎo)致了電堆溫度的下降，進(jìn)而使得放電功率降低。與此同時(shí)，電池片數(shù)量由20片增加至100片的過程中，電堆的溫度和放電功率呈現(xiàn)出上升趨勢，當(dāng)燃料電池電堆的電池片為20片時(shí)，其最高溫度僅為775℃，當(dāng)電池片數(shù)量增至100片時(shí)，電堆溫度會(huì)升至920℃，同時(shí)，放電功率的最大值也由614 W提升至5 254 W。結(jié)合表1的數(shù)據(jù)，當(dāng)電堆電池片為20片時(shí)，雖然放電電流可達(dá)130 A，但功率并未升至最高，說明影響燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電程度的因素依然是電堆電池片片數(shù)，它限制了電堆發(fā)電功率的上限，對電化學(xué)反應(yīng)作用的累加具有正面作用，這與電池片面積的影響是相反的。

由圖5可見，單電池電壓固定不變時(shí)，無論是燃料流速如何變化，電堆的放電溫度值變化很小，這說明當(dāng)單電池片電壓和電堆的電池片片數(shù)固定時(shí)，燃料流速對電堆溫度影響較小，燃料流速對燃料電池系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在放電功率方面。而當(dāng)電堆的單電池片電壓變化時(shí)，溫度和放電功率的差異就體現(xiàn)了出來。從圖5中可見，電堆溫度隨著單電池片電壓升高，溫度降低，放電功率也有所降低。當(dāng)燃料流速從0.05 mol／s提升至0.15 mol／s的過程中，電堆的溫度和放電功率都是逐步升高的，這說明燃料流速對燃料電池系統(tǒng)中電堆溫度的提升和放電功率的增加具有積極作用。

利用本裝置測得燃料電池溫度和放電功率等規(guī)律與文獻(xiàn)相同［15-17］，說明了本動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的適用性和準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)40片單電池組成的電堆運(yùn)行工況下，電堆溫度越高，電化學(xué)反應(yīng)放電功率越大。當(dāng)電堆溫度為825.2℃時(shí)，系統(tǒng)的放電功率可達(dá)3 149 W。可見，溫度對電化學(xué)反應(yīng)影響巨大，且單電池片的電壓也對電堆發(fā)電時(shí)的溫度和放電功率作用明顯。

2.3 實(shí)驗(yàn)拓展及預(yù)期效果

基于本動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)氣體配比、工況條件等，用于探索和學(xué)習(xí)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)理。此外，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，可以進(jìn)一步將本裝置用于故障診斷、容錯(cuò)控制等自動(dòng)化領(lǐng)域的教學(xué)或研究案例。在此基礎(chǔ)上，專業(yè)教師可以豐富自動(dòng)化控制類課程的教學(xué)案例，學(xué)生可以申報(bào)創(chuàng)新項(xiàng)目，參加全國“互聯(lián)網(wǎng)＋”等比賽或發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文等。

3 結(jié) 語

結(jié)合面向固體氧化物燃料電池系統(tǒng)高效率發(fā)電管控的問題，設(shè)計(jì)了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了不同電池片片數(shù)、多燃料流速工況下反應(yīng)條件的模擬，為探究影響發(fā)電特性的因素及反應(yīng)機(jī)理提供了平臺(tái)，豐富了實(shí)驗(yàn)手段，研究結(jié)果對于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電管控具有指導(dǎo)意義。研究表明，電堆電壓情況、燃料流速情況為電堆電化學(xué)發(fā)電反應(yīng)的主控因素，在950℃以下，溫度越高電化學(xué)反應(yīng)越徹底，發(fā)電性能越好。

固體氧化物燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，是典型的科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力發(fā)揮了積極作用。