固体氧化物燃料电池系统在变工况下的动态行为分析与辅助组件调控策略研究

为解决固体氧化物燃料电池(SOFC)系统在变工况下因辅助组件耦合导致的动态响应迟滞和热安全问题，研究人员通过建立MATLAB/Simulink系统模型，揭示了电流、燃料/空气流量阶跃变化对输出功率(±512.3W/330.3s)和温度波动的影响规律，提出优先调控电流的优化策略，为高灵活性SOFC系统控制提供理论支撑。

　　

在全球推进"碳达峰、碳中和"的背景下，可再生能源发电的间歇性问题日益凸显。风能、太阳能等清洁能源虽然环保，但其"看天吃饭"的特性给电网稳定性带来严峻挑战。为此，科学家们将目光投向了氢能存储与转换技术——其中固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高达60%的能量转换效率、模块化设计等优势备受关注。然而，当SOFC系统需要频繁响应电网负荷变化时，其内部复杂的辅助组件（如燃烧室、热交换器）会产生显著的热惯性，导致动态响应迟滞甚至引发热失控风险。现有研究多聚焦单一电堆的输入输出特性，对辅助组件如何影响系统动态行为缺乏深入认知。

针对这一科学难题，陕西某高校的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表重要成果。研究团队创新性地构建了包含双热交换器(HE1/HE2)、燃烧室和旁路管道(V1/V2)的SOFC系统动态模型，采用控制变量法系统考察了电流密度、燃料(H₂/H₂O)流量和空气流量阶跃变化对系统性能的影响。关键技术包括：基于MATLAB/Simulink的多物理场耦合建模、15%阶跃扰动实验设计、以及输出功率/温度时空演化特征的量化分析。

SOFC动态系统及仿真模型
通过建立包含质量/能量/动量守恒方程的数学模型，团队首次实现了辅助组件与电堆的动态耦合模拟。其中燃烧室的尾气回收设计显著影响系统效率，而旁路管道则通过调节空气分配比实现温度精准控制。

结果与讨论
研究发现：电流阶跃增加会减少燃烧室燃料流量，导致电堆温度先因电流增大而升温，后因入口温度降低而波动（+15%电流引发512.3W功率变化，响应时间330.3s）。燃料流量增加则使温度呈"快速下降-缓慢回升"特征，而空气流量增大会通过热交换器降低进气温度，使电堆冷却更显著（-573.8W/412.8s）。辅助组件使系统响应时间延长2-3倍，但能有效缓冲热冲击。

结论
该研究首次量化了辅助组件对SOFC动态特性的调控机制：电流调节具有最快响应速度（较燃料/空气调节快50%），应作为主控变量；燃料/空气流量调节则更适合用于热安全优化。这一发现为开发"电流优先-流量协同"的新型控制策略提供了理论依据，对构建高灵活性氢能电网具有重要意义。研究团队特别指出，未来需针对不同变载幅度（如5%-30%）建立分级控制方案，以兼顾响应速度与热安全边界。