燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)底層循環(huán)性能研究

詹海洋，梁前超，朱潤凱，文 強(qiáng)

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

0 引 言

固體氧化物燃料電池是一種直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電力發(fā)生裝置，打破卡諾循環(huán)（Carnot cycle）熱效率的限制，具有傳統(tǒng)熱機(jī)不可比擬的高效性。其尾氣含有一定量未反應(yīng)的氫氣，可通過催化燃燒室進(jìn)一步提高尾氣初溫，利用燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)合循環(huán)，其系統(tǒng)熱效率高達(dá)60%[1]。燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于下一代艦艇常規(guī)動(dòng)力裝置具有高效、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)。

西門子公司已于2000年實(shí)現(xiàn)100 kW級(jí)的燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行[2]，國內(nèi)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)大多尚處于理論研究階段，目前針對(duì)系統(tǒng)功率匹配、參數(shù)優(yōu)化研究甚少。目前國內(nèi)大功率電堆制備技術(shù)尚不成熟，為實(shí)現(xiàn)電堆與微型燃?xì)廨啓C(jī)功率匹配，提出多組電堆與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文構(gòu)建的一維分布式集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型，在滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下，適當(dāng)簡(jiǎn)化模型復(fù)雜程度，節(jié)省計(jì)算成本，為探索燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在艦船電力綜合系統(tǒng)上的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

1 構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

目前燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)主要有頂層循環(huán)與底層循環(huán)2種結(jié)構(gòu)，分為常壓型板式燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)底層循環(huán)，加壓型管式燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)頂層循環(huán)[4]。本文多組燃料電池堆與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig. 1 System structure topology

該系統(tǒng)主要由2個(gè)相同的燃料電池堆、微型燃?xì)廨啓C(jī)、換熱器、催化燃燒室、預(yù)重整器等組成。燃料與部分高溫陽極尾氣混合進(jìn)入預(yù)重整器重整，再進(jìn)入燃料電池陽極反應(yīng)，利用陽極尚未完全反應(yīng)的氫氣，提高燃料電池的燃料利用率。燃料電池尾氣經(jīng)過催化燃燒室催化燃燒，進(jìn)一步提高尾氣初溫。壓氣機(jī)出口高壓空氣通過換熱與燃料電池尾氣換熱，最后通過渦輪做功。通過燃料電池堆串聯(lián)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)燃料利用率最大，燃料電池堆并聯(lián)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率最大。此系統(tǒng)燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)沒有工質(zhì)的交換，只存在能量上的傳遞，故可減少整個(gè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，使得系統(tǒng)更加靈活可控。

1.1 燃料電池模型

通入燃料電池堆的燃料氣是甲烷與水蒸氣的混合物，為保證不發(fā)生積碳現(xiàn)象，氣碳比大于3，在催化劑的作用下電堆內(nèi)部發(fā)生重整與置換2個(gè)可逆反應(yīng)[5]：

通過重整反應(yīng)速率確定甲烷消耗的速率：

式中：重整階數(shù)α=0.85，β=–0.35；重整反應(yīng)活化能Er=95 kJ/mol；重整反應(yīng)速率系數(shù)Kr=8 542。實(shí)驗(yàn)表明甲烷的消耗速率對(duì)電堆動(dòng)態(tài)性能具有一定影響，但在電堆穩(wěn)態(tài)放電狀態(tài)下，尾氣中甲烷的剩余量可以忽略不計(jì)，甲烷的重整反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)：

相對(duì)于重整反應(yīng)，置換反應(yīng)速率更快，可以更快達(dá)到平衡狀態(tài)，使得置換反應(yīng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)電堆的動(dòng)態(tài)效應(yīng)影響忽略不計(jì)：

陽極板與陰極板主要發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電堆的電壓可以由Nernst方程表示：

堆棧單元實(shí)際運(yùn)行電壓：

燃料電池板沿徑向非常薄，溫差很小，假設(shè)板沿徑向方向沒有溫度變化。燃料電池板主要換熱存在于氣體流過通道時(shí)與電極發(fā)生的強(qiáng)制對(duì)流：

實(shí)驗(yàn)表明通道內(nèi)氣體為層流，陽極通道與陰極通道雷諾數(shù)分別取66與287，利用雷諾數(shù)與普朗克數(shù)的相關(guān)性，確定傳熱系數(shù)：

電堆溫度模型約束條件為：

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)模型

本文微型燃?xì)廨啓C(jī)選用離心式壓氣機(jī)，向心式渦輪。壓氣機(jī)系統(tǒng)包括過濾器、進(jìn)氣管道、通流部分及擴(kuò)壓器等部分。壓氣機(jī)的輸入?yún)?shù)為大氣環(huán)境條件，輸出參數(shù)為壓縮耗功、壓氣機(jī)空氣出口溫度及出口空氣焓值[8]。

本文采用含有壓力損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，即壓力損失和流量的平方成正比：

壓氣機(jī)是一個(gè)高度非線性的部件，本項(xiàng)目采用非線性模塊化建模方法。根據(jù)相似理論，壓氣機(jī)的工作特性可以用壓比、折合轉(zhuǎn)速和折合流量以及熱效率4個(gè)參數(shù)的關(guān)系來表示。在壓氣機(jī)數(shù)學(xué)模型中假設(shè):工質(zhì)通過壓氣機(jī)外殼與外界的熱交換忽略不計(jì)；忽略流體質(zhì)量力及動(dòng)量作用的影響[9]。

質(zhì)量守恒方程：

壓氣機(jī)壓比、流量特性：

壓氣機(jī)耗功：

壓氣機(jī)出口空氣溫度：

渦輪模塊與壓氣機(jī)模塊類似，因此，假設(shè)：忽略渦輪內(nèi)部氣體容積；忽略渦輪金屬蓄熱作用及向外散熱影響；渦輪部件注入冷卻空氣折算到渦輪進(jìn)口；忽略流體質(zhì)量力和動(dòng)量作用的影響。

渦輪膨脹比、效率特性：

渦輪做功：

渦輪出口燃?xì)鉁囟龋?/p>

1.3 換熱器模型

燃料電池高溫尾氣經(jīng)過催化燃燒室的催化燃燒，溫度得到進(jìn)一步提升。采用換熱器與燃?xì)廨啓C(jī)換熱，替代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。換熱器熱計(jì)算有平均傳熱溫差法和效能-傳熱單元數(shù)（ε-NTU）法。效能-傳熱單元數(shù)法收斂速度較快，但隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的提升與計(jì)算成本的下降，效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算量小的優(yōu)勢(shì)逐步喪失，而平均傳熱溫差法可以得到溫差修正系數(shù)可以得到換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，所以目前設(shè)計(jì)計(jì)算一般使用平均傳熱溫差法。

以系統(tǒng)熱平衡為收斂條件：

圖2 溫度修正系數(shù)Fig. 2 Temperature correction factor

2 性能研究

本文采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法探究燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)性能，并對(duì)其優(yōu)化。電堆采用索福人公司生產(chǎn)板式電堆。單板額定功率約為50 W，本文采用25塊相同燃料電池板組成電堆，實(shí)驗(yàn)得到燃料電池堆基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)仿真初始參數(shù)如表1所示，對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖3 電堆連接體結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of SOFC

圖4 電堆性能參數(shù)Fig. 4 Test curve

表1 仿真初始參數(shù)Tab. 1 Modeling parameters

圖5 變工況效率特性曲線Fig. 5 The efficiency of SOFC-GT at off-design condition

圖6 系統(tǒng)效率特性曲線Fig. 6 The efficiency of SOFC-GT at off-design condition

在不同工況下，燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率特性如圖5所示。隨著工況的下降，燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率先小幅升高后迅速下降。在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中燃料電池輸出功率約占系統(tǒng)總功率的80%，初始階段工況的降低使得燃?xì)廨啓C(jī)的效率降低，但燃料電池效率遠(yuǎn)大于燃?xì)廨啓C(jī)效率，燃料電池輸出功率占系統(tǒng)總輸出功率比例升高，使得初始階段系統(tǒng)效率會(huì)有小幅度的升高。后隨著工況的進(jìn)一步降低，燃料電池堆溫降低，效率急劇下降，燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境進(jìn)一步惡化，效率大幅度降低，系統(tǒng)效率會(huì)迅速下降。

為實(shí)現(xiàn)燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)在不同工況下均有較高的效率與燃料利用率，在高工況時(shí)采用雙堆并聯(lián)工作方式以提高系統(tǒng)的輸出功率，在低工況是采用雙堆串聯(lián)工作方式以提高系統(tǒng)效率與燃料利用率。在0.7工況時(shí)，系統(tǒng)由并聯(lián)狀態(tài)切換到串聯(lián)狀態(tài)，系統(tǒng)效率提升7.5%左右。這種工作模式保證了系統(tǒng)在不同工況下，系統(tǒng)效率大于50%。

圖7 系統(tǒng)功率特性曲線Fig. 7 The power of SOFC-GT at off-design condition

隨著工況的下降，各模塊輸出功率逐漸降低。在0.7工況時(shí)，系統(tǒng)由并聯(lián)狀態(tài)切換到串聯(lián)狀態(tài)，此時(shí)電堆1在1 200 W額定功率下工作，對(duì)于電堆1尾氣中未能完全反應(yīng)的氫氣，進(jìn)入電堆2的陽極進(jìn)一步反應(yīng)。由于此時(shí)系統(tǒng)尾氣流量減小，使得微型燃?xì)廨啓C(jī)功率大幅度下降。

3 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)在不同工況下均有較高的效率，提出改變循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制策略。優(yōu)化系統(tǒng)各模塊間的功率分配，實(shí)現(xiàn)低工況時(shí)系統(tǒng)效率依然大于50%，相較于原循環(huán)系統(tǒng)效率提高7.5%。同時(shí)多堆燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)解決了目前電堆功率不足的限制，為大功率聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指明了方向。為燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)在水面艦艇上的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。