黃潛龍，梁前超，任濟民

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燃料電池-燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中燃料電池匹配性評估及研究

黃潛龍，梁前超，任濟民

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，武漢 430033）

燃?xì)廨啓C/燃料電池(SOFC-GT)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有高效、環(huán)境友好、發(fā)電成本較低等優(yōu)點，可作為艦船綜合電力系統(tǒng)的動力源。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C和燃料電池兩大部分組成，兩者能夠良好的匹配才能發(fā)揮出聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢。本文主要研究在給定的設(shè)計參數(shù)的條件下，運用模糊綜合評判的方法，構(gòu)建單因素評價矩陣，進(jìn)行二級綜合評判，判斷SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中SOFC的匹配性問題，評判結(jié)果為良好。

燃?xì)廨啓C/燃料電池 匹配 模糊綜合評判 因素

0 引言

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，運行過程中沒有燃燒，是一種高效、清潔的能量轉(zhuǎn)換裝置。高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）可與燃?xì)廨啓C結(jié)合，組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，綜合效率能達(dá)到80%，可以為艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)電，提高艦船的續(xù)航力。

燃?xì)廨啓C/燃料電池(SOFC-GT)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有高效、環(huán)境友好、發(fā)電成本較低等優(yōu)點，可作為艦船綜合電力系統(tǒng)的動力源。目前為止，世界上僅建成一座SOFC-GT聯(lián)合裝置電站，即西門子西屋公司于2000年5月在美國加州大學(xué)安裝的全世界第一部SOFC-GT復(fù)合發(fā)電站，發(fā)電功率為220 kW[5]。由于缺少相關(guān)運行經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)，國內(nèi)外目前主要通過仿真建模手段來進(jìn)行研究。就國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，有些機構(gòu)逐漸開展小功率聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)原理驗證裝置或示范工程。結(jié)合實驗就需要考慮到裝置的選型問題，更要涉及到燃料電池/燃?xì)廨啓C的匹配性問題。本文主要研究聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中SOFC的匹配性問題，但SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其進(jìn)行表征的特性參數(shù)眾多，具有強耦合性，難以進(jìn)行定量的評價。因此，利用模糊綜合評判的方法，建立因素集，分配不同的權(quán)重，將難以定量評價的指標(biāo)進(jìn)行量化，再進(jìn)行二級模糊綜合評判，得出SOFC的匹配結(jié)果。

圖1 SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1 模糊綜合評判原理

模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)理論和方法，由美國控制論專家L.A.Zadeh于1965年創(chuàng)立[1]。模糊綜合評判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮被評價事物相關(guān)的各個因素，建立因素集、權(quán)重集、評價集、單因素矩陣，通過綜合評判，對其做出合理的綜合評價。

目前國內(nèi)還很少有人通過模糊綜合評判的方法評價SOFC，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)的影響因素眾多，難以定量進(jìn)行描述。如果只是對單個參數(shù)或單個系統(tǒng)研究其對燃料電池系統(tǒng)性能的影響，很難獲得理想的研究結(jié)果。本文采用多級模糊綜合評判的方法，將各影響因素量化，得到可靠的總體評價，很好地解決模糊的、難量化的問題。

1.1 單因素評價：

采用多級模糊綜合評判，對于單因素u求出其對于的單因素評判矩陣R，R的元素r表示對U的因素u的評價中，評判等級v（=1,2，……）所占的份額。在現(xiàn)行的信息系統(tǒng)評估中r大多采用以下方法確定：成立一個由若干人組成的評估專家小組,每位專家根據(jù)經(jīng)驗和專業(yè)知識分別對每個單因素u進(jìn)行評判，并確定其屬于評判集中的哪一級，則r的含義就是將單因素u評定為v級的專家數(shù)占專家總?cè)藬?shù)的百分比。

二級模糊綜合評判單因素評價矩陣：

第i類因素模糊綜合評判矩陣B：

B=AR=

= (b, b…… b) (2)

1.2 建立權(quán)重集：

第一層權(quán)重系數(shù)的確定：設(shè)第i類因素Ui的權(quán)數(shù)為a（=1,2,3……），則因素類權(quán)重集為

=（1,2,3……a） （3）

第二層權(quán)重系數(shù)的確定：設(shè)第i類中的第j個因素u的權(quán)數(shù)為aij，則因素權(quán)重集為

A=（a1,a2,a3……a） （4）

1.3 構(gòu)建評語集

={1、2、3、4}={優(yōu)、良、中、差}

表1 評語說明表

1.4 一級模糊綜合評判：

單因素評價矩陣：

模糊綜合評判矩陣：

=(1,2……4) （6）

2 實例分析

現(xiàn)擬構(gòu)建1 kW高溫固體氧化物燃料電池和0.2 kW微型燃?xì)廨啓C組成的SOFC-GT聯(lián)合循環(huán)樣機系統(tǒng)，預(yù)期綜合效率達(dá)到70%以上。國內(nèi)目前已有多家公司成功研制出1 kW級SOFC系統(tǒng)，技術(shù)比較成熟，并已逐步向商業(yè)化發(fā)展。選取某型國產(chǎn)1 kW級SOFC，該型電池在國內(nèi)同類產(chǎn)品中技術(shù)相對成熟，性能也比較優(yōu)異，通過模糊綜合評判，確定其對系統(tǒng)的匹配性。

圖2 多級模糊綜合評判模型

2.1 確定因素集：

表2 某型1 kW SOFC主要技術(shù)參數(shù)

通過查找文獻(xiàn)[2,3,5]和專家詢問，將SOFC綜合評判指標(biāo)主要分為性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、工作指標(biāo)，構(gòu)成第一層目標(biāo)因素集U=｛U1、U2、U3｝=｛性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、工作指標(biāo)｝。性能指標(biāo)的二級指標(biāo)包括功率密度、電堆衰減率、燃?xì)饫寐?；結(jié)構(gòu)指標(biāo)二級指標(biāo)包括尺寸、重量、電解質(zhì)厚度；工作指標(biāo)二級指標(biāo)包括加熱或冷卻速率、工作溫度、陰陽極壓力差。SOFC匹配性模糊綜合評價指標(biāo)體系如圖4所示。

圖3 某型1 kW固體氧化物燃料電池電堆

圖4 1 kW固體氧化物燃料電池伏安特性曲線

圖5 1 kW固體氧化物燃料電池效率曲線

2.2 專家評價

通過專家打分系統(tǒng)對各單因素進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表3所示。

表3 專家打分表

2.3 單因素F評判：

性能指標(biāo)單因素評判矩陣：

結(jié)構(gòu)指標(biāo)單因素評價矩陣：

工作指標(biāo)單因素評價矩陣：

2.4 確定權(quán)重系數(shù)：

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4,5]，結(jié)合下文SOFC具體技術(shù)性能參數(shù)，給出如下權(quán)重系數(shù)：

第一層權(quán)重系數(shù)的確定：

三個一級指標(biāo)中，性能指標(biāo)直接反映了SOFC的性能情況，所占權(quán)重最大，工作指標(biāo)對聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的工作性能有較大影響，所占權(quán)重次之，結(jié)構(gòu)指標(biāo)所占權(quán)重最小，給出權(quán)重分配如下：

=（0.5,0.2,0.3） (10)

第二層權(quán)重系數(shù)的確定：

功率密度反映了SOFC的輸出性能；衰減率關(guān)系到SOFC的壽命問題；燃料利用率則與整體的的發(fā)電效率有關(guān)，通過查閱資料[5]給出性能指標(biāo)二級指標(biāo)的權(quán)重：

1=（0.45,0.35, 0.2） (11)

電解質(zhì)厚度越薄，離子越容易穿過，反應(yīng)速率越高；電池的尺寸和重量關(guān)系到整個系統(tǒng)的布置與結(jié)構(gòu)，給出結(jié)構(gòu)指標(biāo)二級指標(biāo)權(quán)重：

2=（0.2,0.2,0.6） (12)

電堆的加熱或冷卻速率影響到整個系統(tǒng)的啟動和停機時間；排氣溫度直接影響到燃?xì)廨啓C渦輪的工作情況，其與電池工作溫度有關(guān)；陰陽極的壓力差則從系統(tǒng)的安全性方面進(jìn)行了考慮。給出工作指標(biāo)二級指標(biāo)權(quán)重如下：

3=（0.3,0.4,0.3） (13)

2.5 二級因素評判結(jié)果：

性能指標(biāo)評判集：

1=1×1=（0.2575,0.545,0.1425,0.055） (14)

結(jié)構(gòu)指標(biāo)評判集：

2=2×2=（0.27,0.46,0.19,0. 08） (15)

工作指標(biāo)評判集：

3=3×3=（0.13,0.22,0.445,0.205） (16)

2.6 一級因素綜合評判：

單因素評價矩陣：

SOFC匹配性評判集：

=×=（0.22175,0.4305,0.24275,0.105） (18)

3.7 評判結(jié)果及分析

從以上結(jié)果我們可以看出，對該SOFC匹配性判定為良好的隸屬度為0.4305，根據(jù)最大隸屬度原則（2）=0.4305=max｛0.22175，0.4305，0.24275，0.105｝，評價該型SOFC的匹配性為良好，匹配該型SOFC系統(tǒng)能夠正常工作。通過專家打分的結(jié)果我們也能發(fā)現(xiàn)，該型SOFC的功率密度是比較高的，尺寸和重量較小，這對于未來聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的小型化有重要意義；衰減率在國內(nèi)同類型SOFC中算比較低的，電池衰減率的進(jìn)一步降低有利于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工作壽命的延長；當(dāng)燃料利用率過低時，會降低 SOFC 和系統(tǒng)的發(fā)電效率，燃料利用率過高，則會導(dǎo)致燃料電池陽極的氧化，整體而言該電池的燃料利用率是偏低的；對于工作溫度，受材料承受能力等因素的限制為750℃，溫度如果能再適當(dāng)提高，將提高燃?xì)廨啓C效率，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。目前在國內(nèi)同類型SOFC中，該型電池整體性能是比較先進(jìn)的，針對SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，理論上該型電池能夠良好匹配，但為了進(jìn)一步提高聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的效率，性能更加優(yōu)秀的燃料電池亟待開發(fā)。

3 結(jié)論

本文通過多級模糊綜合評判的方法，針對SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，對SOFC的匹配性進(jìn)行評估。以某型SOFC為例，分析確定影響SOFC匹配性的各種因素，通過專家評價各個因素性能指標(biāo)，給出合理的權(quán)重分配，得出評判矩陣，再根據(jù)最大隸屬度原則確定匹配性等級，結(jié)果為良好。本文主要從SOFC性能、結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)三個方面進(jìn)行模糊評判，提出的關(guān)于SOFC匹配性的模糊綜合評判方法具有一定的參考與借鑒意義。

[1] 楊綸標(biāo), 高英儀, 凌衛(wèi)新. 模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[D]. 華南理工大學(xué)出版社, 2013.

[2] 于建國, 許麗, 王玉璋, 翁史烈. 固體氧化物燃料電池及其混合發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及開發(fā)[J]. 上海電力, 2009,（3）: 178-181.

[3] 閆東, 梁前超, 邵夢麟, 焦宇飛. 某型燃?xì)廨啓C啟動失敗的模糊故障樹分析[J].中國修船, 2015, 28(1): 40-42．

[4] 劉川, 薛德慶, 賈長治. 輪式車載火炮火力與底盤系統(tǒng)匹配性能評估方法研究[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報, 2016,37(3):25-29.

[5] 李楊. 高溫燃料電池-燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)變工況性能分析與實驗研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院, 2011:52-100.

[6] Liu G. The application of fuzzy comprehensive evaluation method in the evaluation of energy saving emission reduction for aviation enterprises[J]. Environmental Pollution & Control, 2011, 20(5):155-61.

[7] Zhao X Y, Wang D W. Fuzzy Comprehensive Evaluation Method for Distributor-selection[J]. Journal of Industrial Engineering & Engineering Management, 2002, 16(2):18-21.

[8] M. L. Shao, Q. C. Liang, D, Yan, H. Qin, J. Xiang. Application of fuzzy comprehensive evaluation on COGAG power plant of performance[J]. Journal of power and energy engineering,2014, 2(9): 29-34.

Evaluation and Research of SOFC Matching in SOFC-GT Combined Power Generation System

Huang Qianlong, Liang Qianchao, Ren Jimin

(Naval University of engineering School of power engineering, Wuhan 430033, China)

TP183

A

1003-4862（2018）06-0018-05

2018-02-22

國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目（17-163-13-ZT-008 -033-01，17-H863-05-ZT-002-041-01）

黃潛龍（1994-），男，碩士在讀。研究方向：燃料電池與燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真。Email：qjzx0926@163.com。