燃料电池建模研究

论文总字数：27019字

摘 要

16012615 骆骁

指导老师 张炎平

燃料电池作为一种新的发电技术受到全世界越来越多的关注，它有无污染、能源利用效率高、可移动性强等突出优点。本文通过对燃料电池的建模研究，了解燃料电池工作原理，探索提高燃料电池工作效率的方法，具有一定的研究意义。

本文首先介绍了多种不同类型燃料电池的发展历史，选取了未来发展潜力较大的固体氧化物燃料电池（SOFC）作为主要研究对象。之后详细介绍了SOFC的内部结构和工作原理，从理论上比较不同结构和类型的SOFC的优缺点及发展方向，给出了仿真中使用的模型的详细分析介绍。

全文主体部分在Matlab/Simulink环境下，使用典型SOFC参数建立了管式单体SOFC模型。详细比较了不同的工作温度、燃料输入流速和燃料利用率对SOFC输出特性V-I曲线的影响，更高的工作温度和燃料输入流速都会对SOFC输出特性产生积极的影响。仿真了不同燃料电池电解质、连接体、阴极和阳极厚度对输出特性的影响，其中电解质和连接体的厚度对输出特性负面影响较大，并且可以推广到各材料的电阻率上，影响与厚度类似。另外，在不同情况下对比了不同燃料利用率对输出特性的影响，得出结论为不同情况下可能有不同的最佳燃料利用率，燃料利用率并不是越高越好。分析了不同影响产生的原因，验证模型的正确性，得出了一定条件下的最佳燃料利用率。

关键词：燃料电池；SOFC；Simulink；输出特性

Abstract

As a new technology of generation, the fuel cell has attracted more and more attention around the world. It has very important significance such as non-polluting, high energy efficiency, mobility and so on. By the research of fuel cell, we know more principle of operation; about it. And we explore the ways to improve the efficiency of fuel cell, so it is very valuable to research.

This paper introduces the development history of many different types of fuel cells, then selects solid oxide fuel cell (SOFC) which is the great potential type as the main object of the paper. After introducing the details of the SOFC of the internal structure and working principle, we compare advantages and disadvantages of different types of SOFC, then we give a detailed analysis of the model used in the simulation.

We use the typical parameters to establish a tubular SOFC single model in Matlab / Simulink environment. Then we show a detailed comparison of impact of the different operating temperatures, fuel input flow rates on fuel utilization SOFC output characteristic V-I curve, knowing higher operating temperatures and fuel input flow rates will have a positive impact on SOFC output characteristics. The simulation of the effects of different fuel cell electrolyte, linker, cathode and anode thickness on output characteristics has also been done. The thickness of the electrolyte and linker have more negative influence on the output characteristics, and the impact of thickness the same to the resistivity of each material. The best fuel efficiency of different circumstances is different, and efficiency is not as high as possible. We analyze the reasons of different influence on output characteristics, verify the correctness of the model, and find the best fuel efficiency under certain conditions.

KEY WORDS: Fuel Cell; SOFC; Simulink; Output Characteristics

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2国内外各类燃料电池技术的发展历史和现状 1

1.3 燃料电池建模研究综述 4

第二章 SOFC燃料电池介绍 7

2.1 SOFC电化学反应原理 7

2.2燃料电池结构与类型 9

2.2.1电解质 9

2.2.2阴极 9

2.2.3阳极 9

2.2.4平板式SOFC 10

2.2.5管式SOFC 11

2.3本章小结 12

第三章 管式SOFC集总式模型 13

3.1集总模型的假设 13

3.2物质守恒与流速计算 13

3.3激活电压损失 14

3.4浓度电压损失 15

3.5欧姆电压损失 15

3.6本章小结 16

第四章 SOFC燃料电池建模 17

4.1 Simulink软件及仿真模型介绍 17

4.2 仿真结果与分析 20

4.2.1 SOFC燃料输入流速对输出特性的影响 20

4.2.2 工作温度对SOFC输出特性的影响 22

4.2.3 电池体结构厚度对输出特性的影响 24

4.2.4 燃料利用率对输出特性的影响 26

4.3本章小结 28

第五章 结论与燃料电池未来展望 28

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1选题背景和意义

随着社会经济的不断发展，对电网可靠性的要求越来越高，智能电网概念方兴未艾，其中分布式发电是智能电网中一个重要组成部分。在各种分布式发电方式中，燃料电池发电是一种新型､高效､环保的发电技术｡

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