燃料电池-燃气轮机联合发电系统中燃料电池匹配性评估及研究

黄潜龙，梁前超，任济民



燃料电池-燃气轮机联合发电系统中燃料电池匹配性评估及研究

黄潜龙，梁前超，任济民

（海军工程大学动力工程学院，武汉 430033）

燃气轮机/燃料电池(SOFC-GT)联合发电系统具有高效、环境友好、发电成本较低等优点，可作为舰船综合电力系统的动力源。联合发电系统主要由燃气轮机和燃料电池两大部分组成，两者能够良好的匹配才能发挥出联合发电系统的优势。本文主要研究在给定的设计参数的条件下，运用模糊综合评判的方法，构建单因素评价矩阵，进行二级综合评判，判断SOFC-GT联合发电系统中SOFC的匹配性问题，评判结果为良好。

燃气轮机/燃料电池 匹配 模糊综合评判 因素

0 引言

燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，运行过程中没有燃烧，是一种高效、清洁的能量转换装置。高温固体氧化物燃料电池（SOFC）可与燃气轮机结合，组成联合循环发电系统，综合效率能达到80%，可以为舰船综合电力系统发电，提高舰船的续航力。

燃气轮机/燃料电池(SOFC-GT)联合发电系统具有高效、环境友好、发电成本较低等优点，可作为舰船综合电力系统的动力源。目前为止，世界上仅建成一座SOFC-GT联合装置电站，即西门子西屋公司于2000年5月在美国加州大学安装的全世界第一部SOFC-GT复合发电站，发电功率为220 kW[5]。由于缺少相关运行经验和实验数据，国内外目前主要通过仿真建模手段来进行研究。就国内研究现状来看，有些机构逐渐开展小功率联合发电系统原理验证装置或示范工程。结合实验就需要考虑到装置的选型问题，更要涉及到燃料电池/燃气轮机的匹配性问题。本文主要研究联合发电系统中SOFC的匹配性问题，但SOFC-GT联合发电系统结构复杂，对其进行表征的特性参数众多，具有强耦合性，难以进行定量的评价。因此，利用模糊综合评判的方法，建立因素集，分配不同的权重，将难以定量评价的指标进行量化，再进行二级模糊综合评判，得出SOFC的匹配结果。

图1 SOFC-GT联合发电系统示意图

1 模糊综合评判原理

模糊数学是研究和处理模糊性现象的一种数学理论和方法，由美国控制论专家L.A.Zadeh于1965年创立[1]。模糊综合评判的基本思想是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑被评价事物相关的各个因素，建立因素集、权重集、评价集、单因素矩阵，通过综合评判，对其做出合理的综合评价。

目前国内还很少有人通过模糊综合评判的方法评价SOFC，其系统结构复杂，相关的影响因素众多，难以定量进行描述。如果只是对单个参数或单个系统研究其对燃料电池系统性能的影响，很难获得理想的研究结果。本文采用多级模糊综合评判的方法，将各影响因素量化，得到可靠的总体评价，很好地解决模糊的、难量化的问题。

1.1 单因素评价：

采用多级模糊综合评判，对于单因素u求出其对于的单因素评判矩阵R，R的元素r表示对U的因素u的评价中，评判等级v（=1,2，……）所占的份额。在现行的信息系统评估中r大多采用以下方法确定：成立一个由若干人组成的评估专家小组,每位专家根据经验和专业知识分别对每个单因素u进行评判，并确定其属于评判集中的哪一级，则r的含义就是将单因素u评定为v级的专家数占专家总人数的百分比。

二级模糊综合评判单因素评价矩阵：

第i类因素模糊综合评判矩阵B：

B=AR=

= (b, b…… b) (2)

1.2 建立权重集：

第一层权重系数的确定：设第i类因素Ui的权数为a（=1,2,3……），则因素类权重集为

=（1,2,3……a） （3）

第二层权重系数的确定：设第i类中的第j个因素u的权数为aij，则因素权重集为

A=（a1,a2,a3……a） （4）

1.3 构建评语集

={1、2、3、4}={优、良、中、差}

表1 评语说明表

1.4 一级模糊综合评判：

单因素评价矩阵：

模糊综合评判矩阵：

=(1,2……4) （6）

2 实例分析

现拟构建1 kW高温固体氧化物燃料电池和0.2 kW微型燃气轮机组成的SOFC-GT联合循环样机系统，预期综合效率达到70%以上。国内目前已有多家公司成功研制出1 kW级SOFC系统，技术比较成熟，并已逐步向商业化发展。选取某型国产1 kW级SOFC，该型电池在国内同类产品中技术相对成熟，性能也比较优异，通过模糊综合评判，确定其对系统的匹配性。

图2 多级模糊综合评判模型

2.1 确定因素集：

表2 某型1 kW SOFC主要技术参数

通过查找文献[2,3,5]和专家询问，将SOFC综合评判指标主要分为性能指标、结构指标、工作指标，构成第一层目标因素集U=｛U1、U2、U3｝=｛性能指标、结构指标、工作指标｝。性能指标的二级指标包括功率密度、电堆衰减率、燃气利用率；结构指标二级指标包括尺寸、重量、电解质厚度；工作指标二级指标包括加热或冷却速率、工作温度、阴阳极压力差。SOFC匹配性模糊综合评价指标体系如图4所示。

图3 某型1 kW固体氧化物燃料电池电堆

图4 1 kW固体氧化物燃料电池伏安特性曲线

图5 1 kW固体氧化物燃料电池效率曲线

2.2 专家评价

通过专家打分系统对各单因素进行评价，评价结果如表3所示。

表3 专家打分表

2.3 单因素F评判：

性能指标单因素评判矩阵：

结构指标单因素评价矩阵：

工作指标单因素评价矩阵：

2.4 确定权重系数：

通过查阅相关文献[4,5]，结合下文SOFC具体技术性能参数，给出如下权重系数：

第一层权重系数的确定：

三个一级指标中，性能指标直接反映了SOFC的性能情况，所占权重最大，工作指标对联合发电系统的工作性能有较大影响，所占权重次之，结构指标所占权重最小，给出权重分配如下：

=（0.5,0.2,0.3） (10)

第二层权重系数的确定：

功率密度反映了SOFC的输出性能；衰减率关系到SOFC的寿命问题；燃料利用率则与整体的的发电效率有关，通过查阅资料[5]给出性能指标二级指标的权重：

1=（0.45,0.35, 0.2） (11)

电解质厚度越薄，离子越容易穿过，反应速率越高；电池的尺寸和重量关系到整个系统的布置与结构，给出结构指标二级指标权重：

2=（0.2,0.2,0.6） (12)

电堆的加热或冷却速率影响到整个系统的启动和停机时间；排气温度直接影响到燃气轮机涡轮的工作情况，其与电池工作温度有关；阴阳极的压力差则从系统的安全性方面进行了考虑。给出工作指标二级指标权重如下：

3=（0.3,0.4,0.3） (13)

2.5 二级因素评判结果：

性能指标评判集：

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

结构指标评判集：

2=2×2=（0.27,0.46,0.19,0. 08） (15)

工作指标评判集：

3=3×3=（0.13,0.22,0.445,0.205） (16)

2.6 一级因素综合评判：

单因素评价矩阵：

SOFC匹配性评判集：

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

3.7 评判结果及分析

从以上结果我们可以看出，对该SOFC匹配性判定为良好的隶属度为0.4305，根据最大隶属度原则（2）=0.4305=max｛0.22175，0.4305，0.24275，0.105｝，评价该型SOFC的匹配性为良好，匹配该型SOFC系统能够正常工作。通过专家打分的结果我们也能发现，该型SOFC的功率密度是比较高的，尺寸和重量较小，这对于未来联合发电系统的小型化有重要意义；衰减率在国内同类型SOFC中算比较低的，电池衰减率的进一步降低有利于联合发电系统工作寿命的延长；当燃料利用率过低时，会降低 SOFC 和系统的发电效率，燃料利用率过高，则会导致燃料电池阳极的氧化，整体而言该电池的燃料利用率是偏低的；对于工作温度，受材料承受能力等因素的限制为750℃，温度如果能再适当提高，将提高燃气轮机效率，进而提高系统效率。目前在国内同类型SOFC中，该型电池整体性能是比较先进的，针对SOFC-GT联合发电系统，理论上该型电池能够良好匹配，但为了进一步提高联合发电系统的效率，性能更加优秀的燃料电池亟待开发。

3 结论

本文通过多级模糊综合评判的方法，针对SOFC-GT联合发电系统，对SOFC的匹配性进行评估。以某型SOFC为例，分析确定影响SOFC匹配性的各种因素，通过专家评价各个因素性能指标，给出合理的权重分配，得出评判矩阵，再根据最大隶属度原则确定匹配性等级，结果为良好。本文主要从SOFC性能、结构、工作参数三个方面进行模糊评判，提出的关于SOFC匹配性的模糊综合评判方法具有一定的参考与借鉴意义。

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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

国防科技创新特区项目（17-163-13-ZT-008 -033-01，17-H863-05-ZT-002-041-01）

黄潜龙（1994-），男，硕士在读。研究方向：燃料电池与燃气轮机联合发电系统设计与仿真。Email：qjzx0926@163.com。