SOFC系统中功率变换器研究与开发开题报告

 2020-04-04 10:04
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

由于传统能源的枯竭、环境污染加剧和建设高品质电网的需要,人们越来越重视可再生能源与分布式能源系统的发展,固体氧化物燃料电池(SOFC)通过电化学反应直接将燃料中的化学能转换为电能,没有燃烧与机械传动过程,具有安静、高效、无污染的优点,被誉为21世纪最具发展前景的发电技术之一。

作为一种绿色新型的发电方式,SOFC 技术受到了世界各国的追捧。以美国、欧盟、日本等为代表的一些发达国家在最近几十年投入了大量的资金和人力进行 SOFC发电技术的研究,目标在于实现 SOFC 的产业化。SOFC 技术得到了极大地推动和发展。

国内固体氧化物燃料电池发电系统发展现状:

“九五”期间组装了800W 平板状固体氧化物燃料电池组。哈尔滨工业大学、中科院、清华大学、华中科技大学、吉林大学、北京物理所等多所高校也相继投入到固体氧化物燃料电池电极材料、电解质材料、结构材料的开发。这些团队在 SOFC 关键材料、电池片规模化制造和电堆的密封组装方面积累了大量的经验,获得了丰硕的成果,并具备了一定规模化生产的条件。然而,在 SOFC 独立系统的设计、集成与控制方面,我国的研究起步更晚,仅在最近几年才开始。国内仅有华中科技大学、中科院大连化物研究所、中科院宁波材料研究所和中科院上海硅酸盐研究所等为数不多的科研机构开展了SOFC系统研究,也取得了一些进展。

2010 年 9 月,华中科技大学自主研制的kW级 SOFC 独立发电系统的成功运行并在科技日报上进行报道,这意味着国内首台SOFC系统的诞生。迄今为止,已开发出高性能的关键材料、大面积的单电池,千瓦级的电堆,实现了 5 千瓦级独立发电系统的运行。目前,华中科技大学正在集中开发第二代,具有更优结构与效率的独立发电系统。中科院宁波材料研究所也完成了系统设计并铺设了系统管路平台。

国外固体氧化物燃料电池发电系统发展现状

经过 100 多年的研究发展,固体氧化物燃料电池从高温(1000℃)到中温(500℃-850℃)、从管式到平板式等不同的发展阶段。在经历了一系列研究后,近几年,Bloom Energy 在将其平板结构固体氧化物燃料电池电堆系统推向应用方面取得很大的成功。2011 年又推出“Energy Server”,其燃料为生物质,输出功率可高达200KW。日本在家用燃料电池热电联供的研究处于领先地位,40000 套热电联供的产品已经安装使用。此时,澳大利亚的Ceramic Fuel Cell 已经研发了1KW平板式电解质支撑固体氧化物燃料电池热电联供系统,在新西兰、澳大利亚已进行了试验。

固体氧化物燃料电池变换器的研究基本是在少些大学和一些科研机构当中进行。就当前的研究成果报告中显示,美国和日本在该研究的开发已经将其他发展中国家甩在身后。弗吉尼亚理工大学在固体氧化物燃料电池 DC-DC变换器研究中占有优势,在Jason Lai 教授的带领下,其团队研发出了转换效率高的5KW、10KW针对固体氧化物燃料电池发电 DC/DC 变换器,提出了低压输入的升压全桥 DC-DC变换器。在 Jason Lai 的文章中介绍了适应于固体氧化物燃料电池变换器的拓扑结构,设计的整体过程,并且完成了实物调试。

作为分布式发电技术,SOFC配备完备的BOP(Balance Of Plant)外围子系统形成独立发电系统,以大中型电站或移动电源的形式在国防、军事、交通、家庭等领域具有广阔的应用前景。而逆变器是分布式能源系统中不可或缺的重要装置,将各发电系统的直流电转换成电网中的交流电。随着智能电网概念的提出,如何建造高质量、高可靠性、高效率的逆变装置,已经成为全球能源研究的热点。

由于燃料电池单片电池的电压范围一般在0.6-0.8V之间,输出电流范围为20A~140A,是典型的低电压大电流大范围波动不稳定直流电源。

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