固體氧化物燃料電池發電系統動態模擬教學實驗平臺建設

吳肖龍， 夏 勇， 胡凌燕， 余運俊， 夏志平， 李 曦

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

0 引 言

固體氧化物燃料電池系統是通過將碳氫燃料作為陽極氣體供給、空氣作為陰極氣體供給，在系統內部的電堆中發生電化學反應從而實現發電的設備［1-2］，該類技術在日產汽車、海洋裝備等領域得到推廣應用，取得了產業化的突破［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的成本較高，這為系統開發和產品測試都帶來了較大的不利因素。因為固體氧化物燃料電池發電系統的長期運行，不但會消耗大量的實驗氣體（純氫氣或天然氣等燃料），同時大量的可燃氣體存儲還嚴重威脅操作人員生命安全，給發電過程帶來極大的安全隱患。研究表明，在系統發電的過程中屬于低電壓大電流的放電形式，期間伴隨著電化學反應，高溫燃燒反應，氣體傳輸等過程，這些都給實驗帶來了不安全因素［5-6］。目前，現有高校的燃料電池實驗室多以質子交換膜燃料電池作為研究對象［7-9］，固態氧化物燃料電池系統課程教學實驗項目平臺多為電堆測試爐平臺［10］，難以模擬復雜環境下系統多運行工況的發電及各電廠輔助設備（Balance of plant，BOP）子部件的動態特性，實驗可操作性差且匹配度低，無法滿足實驗教學準確度和對新能源類創新人才培養的要求［11-13］。實驗室先前建設的燃料電池電堆測試模擬反應裝置［14］，主要由高溫恒溫爐、氣體供給子系統、重整反應子系統、電特性監測、溫度控制子系統和尾氣處理子系統組成，占地面積大，操作復雜，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，測試爐需要在更高的溫度下長時間工作，以維持燃料電池電堆的穩態工作。這樣的測試平臺對環境適應性差，不利于產業化和市場化，應用程度化低。實驗時燃料電池電堆處于穩態，不能模擬在復雜環境（可變負載需求、可變環境溫度等情況）下的發電動態工況。因此，亟須建設固體氧化物燃料電池發電系統動態模擬實驗平臺。

1 固體氧化物燃料電池發電系統動態模擬實驗設計

固體氧化物燃料電池發電系統動態模擬實驗裝置如圖1所示，該裝置由動態反應裝置、監測控制、氣體供給及尾氣處理子系統組成。固體氧化物燃料電池電堆是整個實驗系統裝置的核心，是通過電化學反應將化石燃料中的化學能直接轉換為電能的裝置，其結構簡單，由兩個多孔電極與電解質結合成三明治結構，僅有4個功能組件：陰極、陽極、電解質和連接體。空氣流沿陰極注入后，氧分子在陰極和電解質間，從陰極取得4個電子而分裂成2個氧離子滲透、遷移至電解質和陽極之間，與從陽極注入的氫發生反應生成H2O、CO2和釋放熱量。同時，電子通過陽極、外電路回到陰極產生電能。該系統通過控制燃料、空氣的供給流速和負載電力需求（電流），以控制電堆內的高溫環境，進而促使電堆進行電化學反應，實現高效率發電。固體氧化物燃料電池堆內環境溫度、壓力和氣流速度的合理控制，是實現固體氧化物燃料電池系統動態反應條件模擬的關鍵。發電系統所需的氣體先置于儲氣罐中，電堆放置于實驗平臺上，采用保溫棉進行隔熱保溫，利用重整器和尾氣燃燒室對傳輸介質——氣體進行升溫，進而提升電堆的環境溫度和實現電控裝置動態模擬。此外，冷卻水箱對尾氣進行降溫處理，并輔助電堆維持溫度的恒定，電堆的最佳工作溫度為700～850℃。

監測控制系統由程序控溫裝置、測溫裝置、壓力表、安全閥和壓力傳感器組成。控制系統用于控制電堆的升溫速度，溫度的監測實現依靠位于保溫棉內與固體氧化物燃料電池堆體所接觸的側面蓋板上的溫度傳感器。溫度傳感器與PLC控制器相連接，通過通信接口將實時溫度數據輸出至工控機的組態界面上。壓力的監測采用在電堆的陰陽極出入口連接壓力傳感器。當反應壓力接近安全范圍內的最大值時，需盡可能地降低氣體供給，從而保護燃料電池電堆的安全，進而保證發電實驗的安全。同時，監測系統還可設定記錄頻率及間隔，全程記錄反應過程中的溫度、壓力、氣體流速和電特性等參數。

尾氣處理系統由氣體預混、點火燃燒、旁路空氣、氣體分離器、冷凝器、真空泵、冷卻水系統等組成。尾氣處理系統將固體氧化物燃料電池電堆的陰陽極出口氣體首先進行預混，再將其送入尾氣燃燒腔室進行高溫燃燒，以消耗多余未燃燒的燃料氣體，從而實現系統溫度的平衡。尾氣燃燒室的廢氣在進氣燃料和空氣的作用下被吹出，然后進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充分進行。重整反應屬于高溫吸熱反應，從重整器流出的廢氣繼續和新通入系統內的室溫空氣和燃料進行換熱，進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。在經過重整供熱和多次換熱后，此時的廢氣溫度已降至約200℃，再將其通入冷卻水中進一步換熱，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及實驗環境溫度的安全。這樣，在熱電聯供的狀態下，系統實現了效率的最大化。

同時，反應過程中也可對各部件在反應過程中的產物進行捕獲。實驗要求學生模擬系統下固體氧化物燃料電池電堆的電化學放電反應特性，其關鍵在于不同工況條件下收集與檢測燃料電池系統熱電特性參數——各關鍵部件的溫度和電堆的熱電特性。基于此動態模擬實驗系統開展固體氧化物燃料電池發電系統模擬實驗，將有助于學生深入認識燃料電池系統發電機理，同時發現影響系統發電特性的關鍵規律，為系統的管控提供思路。

2 固體氧化物燃料電池發電系統動態模擬實驗

實驗要求獲得不同系統工況下固體氧化物燃料電池系統發電特性，系統地探究發電過程中電堆熱電特性的變化以及系統輸入的變化。實驗過程需要考慮燃料電池電堆中電池片片數、單電池片電壓、燃料流速、溫度、U-I特性等因素的影響。

2.1 實驗步驟

基于本動態模擬實驗裝置進行固體氧化物燃料電池系統發電模擬實驗，具體步驟如下：①向燃料電池電堆頂部通入6 MPa的氮氣作為載氣，使得電堆結構固定；②往系統內通入少量的氫氮氣（含5%的氫氣）和空氣以進行系統的氣密性檢查，檢測點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中，對系統尾氣燃燒室進行點火測試；④設定系統發電溫度為650℃，升溫速率1℃／min，總測試時長200 h；⑤發電結束后，停止燃料的供給和關閉負載，將系統內通入氫氮氣（5%的氫氣）進行系統降溫，以防止電堆內部材料的氧化，保護電堆特性；重復上述步驟，進行下一個實驗工況的模擬。

2.2 實驗結果

實驗過程中實時記錄固體氧化物燃料電池系統內各子部件的溫度和電堆的U-I特性數據，可以間接反映氣體供給量、溫度、電特性等隨反應時間的變化關系，如以某次發電實驗中，電堆升溫至發電溫度650℃，發電初期的實驗工況為例，繪制了如圖2所示的系統燃燒室溫度、電堆溫度、電壓、電流與功率隨時間變化曲線。

圖2 模擬實驗系統前期電堆、燃燒室溫度、電流與電壓隨時間的變化曲線

由圖2可見，實驗開始后先經過約10 h的升溫后，電堆環境達到650℃，系統才可以進入發電狀態，這個過程是用于激活電堆的發電特性，這是由于隨固體氧化物燃料電池電堆溫度升高，到達了電堆發生電化學反應所需的溫度。實驗10～20 h為電流拉升階段，而系統電壓值隨時間呈現出階梯性下降趨勢，說明該過程中電堆內部發生了電化學反應（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－，在電化學勢差的作用下，O2－離子穿過離子電導的陶瓷電解質隔膜片到達陽極，與燃料中的氫氣發生還原反應，生成水和CO2。同時陽極釋放出2個電子，隨著反應不斷進行，對外形成電流，其中陽極：H2＋O2－→H2O＋2e－，陰與此同時，電堆內的溫度隨時間先緩慢上升后趨于穩態。這是由于燃料電池工作初期，電堆的電特性被激活，電堆進入電化學極化區，此時電堆溫度會隨著放電電流的增加而提升，在燃料未能及時補給的情況下，電壓的下降是正常現象。只有補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，放電特性逐步進入最佳狀態，此時的電堆性能逐步穩定，這說明電堆進入了歐姆極化區，如圖3所示。因實驗測試時間遠低于固體氧化燃料電池壽命時間，因此，濃度極化區這里不做討論。

圖3 SOFC電堆極化曲線

在實驗中后期達到電堆放電最佳特性后，又根據不同實驗工況模擬情況，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）的關系。

表1 不同實驗工況下模擬實驗結果

不同電池片的系統響應特性比較，采用燃料流速0.05 mol／s作為基準。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曲線如圖4所示。不同燃料流速下的系統響應比較，采用電池片為40片的電堆作為基準。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反應的面積越大，在燃料流速不變的情況下，單位面積內發生電化學反應程度降低，導致了電堆溫度的下降，進而使得放電功率降低。與此同時，電池片數量由20片增加至100片的過程中，電堆的溫度和放電功率呈現出上升趨勢，當燃料電池電堆的電池片為20片時，其最高溫度僅為775℃，當電池片數量增至100片時，電堆溫度會升至920℃，同時，放電功率的最大值也由614 W提升至5 254 W。結合表1的數據，當電堆電池片為20片時，雖然放電電流可達130 A，但功率并未升至最高，說明影響燃料電池系統的發電程度的因素依然是電堆電池片片數，它限制了電堆發電功率的上限，對電化學反應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，無論是燃料流速如何變化，電堆的放電溫度值變化很小，這說明當單電池片電壓和電堆的電池片片數固定時，燃料流速對電堆溫度影響較小，燃料流速對燃料電池系統的影響主要體現在放電功率方面。而當電堆的單電池片電壓變化時，溫度和放電功率的差異就體現了出來。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律與文獻相同［15-17］，說明了本動態模擬實驗裝置的適用性和準確性。本實驗40片單電池組成的電堆運行工況下，電堆溫度越高，電化學反應放電功率越大。當電堆溫度為825.2℃時，系統的放電功率可達3 149 W。可見，溫度對電化學反應影響巨大，且單電池片的電壓也對電堆發電時的溫度和放電功率作用明顯。

2.3 實驗拓展及預期效果

基于本動態模擬實驗平臺，學生可以自主設計氣體配比、工況條件等，用于探索和學習固體氧化物燃料電池系統的發電機理。此外，學生在教師的指導下，可以進一步將本裝置用于故障診斷、容錯控制等自動化領域的教學或研究案例。在此基礎上，專業教師可以豐富自動化控制類課程的教學案例，學生可以申報創新項目，參加全國“互聯網＋”等比賽或發表高水平學術論文等。

3 結 語

結合面向固體氧化物燃料電池系統高效率發電管控的問題，設計了固體氧化物燃料電池系統動態模擬反應實驗裝置，實現了不同電池片片數、多燃料流速工況下反應條件的模擬，為探究影響發電特性的因素及反應機理提供了平臺，豐富了實驗手段，研究結果對于固體氧化物燃料電池系統的發電管控具有指導意義。研究表明，電堆電壓情況、燃料流速情況為電堆電化學發電反應的主控因素，在950℃以下，溫度越高電化學反應越徹底，發電性能越好。

固體氧化物燃料電池系統動態模擬實驗平臺的建設，是典型的科研成果轉化為創新性實驗教學資源，對培養學生的創新思維、創新意識，提高學生的創新實踐能力發揮了積極作用。