基于金屬燃料的SOFC/氦氙布雷頓雙閉式循環(huán)聯(lián)合動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王佳賓, 徐 虎, 董 平, 郭兆元, 鄭 群

基于金屬燃料的SOFC/氦氙布雷頓雙閉式循環(huán)聯(lián)合動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王佳賓1, 徐 虎1, 董 平1, 郭兆元2, 鄭 群1

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150000; 2.中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

為提高無空氣推進(jìn)閉式動力裝置的熱效率和續(xù)航能力, 建立了一種基于金屬鋁水反應(yīng)的固體氧化物燃料電池(SOFC)/氦氙布雷頓雙閉式循環(huán)聯(lián)合動力系統(tǒng)。首先建立了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 將系統(tǒng)輸出功率設(shè)計(jì)為100 kW, 對系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析, 分析結(jié)果表明: 影響系統(tǒng)工況性能的主要參數(shù)包括SOFC的工作溫度、工作壓力和布雷頓循環(huán)壓氣機(jī)壓比; 在固定系統(tǒng)輸出量級的情況下, 提高SOFC的工作溫度與壓力增加了其工作效率和功率分擔(dān)比, 對SOFC的增益影響大于對布雷頓循環(huán)的增益; 壓氣機(jī)壓比的變化影響了布雷頓循環(huán)的功率分擔(dān)比, 對SOFC效率也呈現(xiàn)先升高后下降的影響趨勢, 總體看來, 壓氣機(jī)壓比對布雷頓循環(huán)功率分擔(dān)比的提高存在一個峰值。采用遺傳算法對該系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 優(yōu)化設(shè)計(jì)后, 系統(tǒng)總效率較原型設(shè)計(jì)提高了2.53%, ?效率較原型設(shè)計(jì)提高了2.55%, 有效提升了系統(tǒng)的熱效率。

雙閉式循環(huán)聯(lián)合動力系統(tǒng); 固體氧化物燃料電池; 布雷頓循環(huán); 金屬燃料; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

通過水下氫氧的儲存, 結(jié)合燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)、布雷頓循環(huán)等技術(shù)構(gòu)造新式的水下循環(huán), 實(shí)現(xiàn)無空氣推進(jìn)(air independent propulsion, AIP)技術(shù)是當(dāng)前水下動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。由表1的國外AIP潛艇技術(shù)[1-2]可以看出, 該動力系統(tǒng)燃料電池?fù)p耗低、噪聲小, 具有極強(qiáng)的發(fā)展前景。但是, 現(xiàn)有AIP系統(tǒng)燃料電池所需的氫氣燃料通常為高壓氣體儲存或者高壓重整催化產(chǎn)生, 氫的儲存和產(chǎn)生設(shè)備通常體積較大, 占用動力空間較大, 導(dǎo)致整個系統(tǒng)的能量密度不高。所以, 提高AIP能量密度是水下動力系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。

表1 國外AIP潛艇技術(shù)

在常見金屬燃料中, 金屬鋁相對鈉性質(zhì)穩(wěn)定, 相對鈹污染性低, 相對鎂能量密度高, 且鋁水反應(yīng)具有可觀的氫氣產(chǎn)量, 是高能量密度AIP系統(tǒng)氫燃料產(chǎn)生的新研究方向。為了降低鋁水反應(yīng)的難度, 可以通過高脈沖或添加氟化鈉催化劑等方式。Eagle等[3-4]還提出一種水下混合鋁燃燒器(Hybrid Aluminum Combustor, HAC)的動力系統(tǒng), 概念圖如圖1所示。

在引入鋁水作為燃料電池的氫燃料供應(yīng)之后, 需考慮如何有效利用鋁水反應(yīng)釋放的大量熱能, 這部分熱能可作為水下動力系統(tǒng)的另一種能源。閉式布雷頓系統(tǒng)可利用換熱器吸收大量熱能替代傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室, 對于金屬燃料等非傳統(tǒng)高密度燃料有著極強(qiáng)的適應(yīng)性。表2給出了美國在發(fā)展閉式布雷頓循環(huán)中的3個計(jì)劃模型[5-8], 主要面對深空探測需要, 能源以核能熱源放熱為主, 工質(zhì)為氦氙混合氣體, 由于氦氣具有極高的比熱, 加入微量氙氣以后, 壓縮性與空氣類似, 當(dāng)功率為100 kW時, 其壓比相對較低(≈2), 壓氣機(jī)透平的葉輪直徑也控制在20 cm之內(nèi), 減少了動力系統(tǒng)占用體積。所以, 這類高能量密度的閉式布雷頓循環(huán)設(shè)計(jì)可為設(shè)計(jì)同樣需要較高能量密度需求的水下動力系統(tǒng)提供參考。

圖1 水下HAC推進(jìn)系統(tǒng)模型

Fig 1 Model of underwater HAC propulsion system

表2 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)

綜上所述, 為滿足水下航行中長航時、大航程、高能量密度的動力發(fā)展需求, 文中利用鋁水反應(yīng)的高功率密度優(yōu)勢, 與燃料電池和閉式布雷頓循環(huán)共同作用, 構(gòu)造了一種適用于水下動力AIP系統(tǒng)的固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)/氦氙布雷頓聯(lián)合的雙閉式循環(huán)動力裝置, 并基于已完成的研究, 對聯(lián)合動力系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)建模

1.1 鋁水反應(yīng)模型

鋁水反應(yīng)溫度達(dá)到400℃以上會發(fā)生如下反應(yīng)

反應(yīng)中, 水氫消耗生成當(dāng)量比為1, 利于閉式系統(tǒng)的建立。

鋁水熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多來源于試驗(yàn), 可通過FactSage Edu軟件進(jìn)行鋁水熱力學(xué)性能的計(jì)算。圖2為軟件計(jì)算得到的鋁水模型熱力學(xué)性能曲線?？梢钥闯? 壓力對鋁水熱力性能的影響可以忽略, 溫度的升高會影響鋁水放熱能力。在工況發(fā)生改變時, 當(dāng)溫度從1 000℃降低到700℃, 放熱能力提高約6%; 當(dāng)壓強(qiáng)從5 atm降低至1 atm時, 放熱能力提高僅為0.0035%。

圖2 鋁水反應(yīng)熱負(fù)荷分析曲線

1.2 SOFC模型

SOFC工作溫度在600～1 000℃, 電極和連接體采用耐高溫的固體陶瓷材料, 可以承受鋁水產(chǎn)生的高溫水蒸氣。SOFC工作原理和計(jì)算模型與一般燃料電池原理相同, 圖3給出了SOFC單電池的工作原理。

圖3 SOFC原理圖

Fig. 3 Schematic diagram of SOFC

SOFC性能的計(jì)算需考慮到由于電極和濃度梯度等造成的損失, 較為復(fù)雜。文中模擬文獻(xiàn)[9]給出的SOFC模型計(jì)算方法, 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比曲線如圖4所示。可以看出, 誤差最大點(diǎn)出現(xiàn)在電流密度0.1 A/cm2處, 誤差在6%以內(nèi)。因此可見文中建立的SOFC模型是可行的。

圖4 SOFC模型驗(yàn)證對比曲線

1.3 氦氙布雷頓循環(huán)模型

氦氣具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和極高的比熱, 是最理想的閉式布雷頓循環(huán)工質(zhì)。然而由于氦氣的高定壓比熱和較小的摩爾質(zhì)量(4.003 g/mol), 使其難以壓縮, 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)困難, 相應(yīng)的循環(huán)換熱設(shè)備體積較大, 難以適配水下動力裝備。利用氙氣高摩爾質(zhì)量(131.3 g/mol)的特點(diǎn), 如圖5所示, Mohanmed[10]提出可以通過混入少量的氙氣, 在保證混合氣熱物性質(zhì)相對穩(wěn)定的前提下, 降低氦氙混合氣體的定壓比熱, 從而減小壓氣機(jī)葉輪半徑, 縮小閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的動力體積。綜合計(jì)算結(jié)果和當(dāng)前研究, 40 g/mol的氦氙混合工質(zhì)(氦氣71.7%, 氙氣28.3%)在閉式布雷頓循環(huán)中極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 氦氙比熱計(jì)算曲線

氙氣密度過大(5.89 g/L), 因此氦氙混合物性無法用傳統(tǒng)的Chapman-Enskog理論計(jì)算。文中基于Tournier等[5, 10]給出的半經(jīng)驗(yàn)公式, 建立氦氙物性模型。為驗(yàn)證氦氙混合工質(zhì)計(jì)算模型熱物性的準(zhǔn)確性, 選擇動力黏度進(jìn)行對比驗(yàn)證, 如下式所示

圖6 氦氙動力黏度隨溫度變化曲線

Fig. 6 Curves of He-Xe dynamic viscosity versus temperature

圖7所示為40 g/mol氦氙工質(zhì)在不考慮部件損耗、固定循環(huán)溫比下, 比功率和效率隨壓比的變化曲線?？梢钥闯? 隨著壓比的提高, 比功率呈上升趨勢, 隨后上升速率逐漸減緩; 而效率則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖7 比功率和效率隨壓強(qiáng)變化曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖8為文中方法設(shè)計(jì)流程圖。通過自編程序搭建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 并在給定工況參數(shù)的情況下, 基于系統(tǒng)的耦合換熱量與設(shè)定的系統(tǒng)總輸出功率100 kW, 迭代計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)模型輸出功率的系統(tǒng)參數(shù)分配, 最終通過遺傳算法(genetic algorithm, GA)以系統(tǒng)熱效率為目標(biāo)函數(shù)完成整個系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。文中構(gòu)建的聯(lián)供系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖8 聯(lián)合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

SOFC的設(shè)計(jì)需考量電池材料、電極厚度、電池堆設(shè)計(jì)等各方面對電池輸出和能量耗散的影響。文中用到的SOFC參數(shù)如表3所示。表中:表示電池材料厚度;act和act表示電極活化損失參數(shù);表示計(jì)算濃差損失需要的參數(shù);表征固體材料歐姆阻耗常數(shù)。下標(biāo)、、int、分別表示電池陽極、陰極、連接體和電解質(zhì)。

H—鋁水反應(yīng)器; O—氧氣發(fā)生器; C—氦氙壓氣機(jī); T—氦氙透平; SOFC—固體氧化物燃料電池; B—后燃燒室;P—智能水泵; G—發(fā)電機(jī); PH1—回?zé)崞? PH2—氦氙冷卻器; PH3—加熱器; PH4—蒸汽冷卻器

表3 SOFC計(jì)算參數(shù)

另一方面, 電池堆單電池越多, 電流密度越低, SOFC輸出性能越好, 但同時會增大SOFC的體積。為便于計(jì)算, 電池堆設(shè)計(jì)固定為40×50(串聯(lián)×并聯(lián)), 單電池面積設(shè)計(jì)為0.1×0.1 m2。

氦氙布雷頓循環(huán)作為閉式循環(huán), 需要考慮工質(zhì)循環(huán)過程所產(chǎn)生的壓力損失。文中閉式氦氙布雷頓循環(huán)中的壓力損失計(jì)算參照NASA-GRC(Gl- enn Research Center)計(jì)劃[5,8]提出的壓力損失參數(shù)進(jìn)行計(jì)算, NASA- GRC計(jì)劃中未提出的壓損參數(shù)以1%計(jì)算, 如表4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 設(shè)定壓氣機(jī)與渦輪的效率分別為75%和80%。工況參數(shù)初步設(shè)計(jì)參考前文的計(jì)算和參考文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù), 計(jì)算得到初步設(shè)計(jì)模型結(jié)論如表5所示。

表4 NASA-GRC壓力損失參數(shù)

表5 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)初步計(jì)算結(jié)果

3 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化參數(shù)分析和選擇

文中主要對SOFC工作溫度()、SOFC工作壓力()和布雷頓循環(huán)壓比()3項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行效率的優(yōu)化和系統(tǒng)機(jī)理的分析。

工作溫度會影響鋁水放熱量、SOFC輸出性能和布雷頓循環(huán)輸出性能, 而鋁水反應(yīng)器和SOFC系統(tǒng)串聯(lián)在主循環(huán)中, 布雷頓循環(huán)基于熱耦合并列在主循環(huán)下, 因此, 監(jiān)測SOFC工作溫度便可得循環(huán)重要節(jié)點(diǎn)的溫度參數(shù)。SOFC工作壓力主要影響SOFC的工作輸出, 壓氣機(jī)壓比主要影響布雷頓循環(huán)輸出性能。

3.2 參數(shù)優(yōu)化

利用參數(shù)優(yōu)化函數(shù)搭建基于第2節(jié)建立的聯(lián)供系統(tǒng)迭代計(jì)算模型。表6為參數(shù)尋優(yōu)的范圍。溫度范圍參考文獻(xiàn)[12], 壓力范圍來自試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)。

表6 參數(shù)設(shè)計(jì)范圍

圖10 參數(shù)敏感度分析曲線

聯(lián)合動力系統(tǒng)以熱效率為優(yōu)化目標(biāo), 初代個體數(shù)為50, 復(fù)制率為0.95, 交叉率為0.7, 變異率為0.01, 遺傳50代。從圖11的優(yōu)化結(jié)果可看出, 在遺傳30代以后, 優(yōu)化數(shù)據(jù)計(jì)算基本收斂, 最適個體溫度為1 223 K, 壓比為2.011, 壓力為600 kPa, 最高效率42.55%。表7給出了優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比, 系統(tǒng)效率提高了2.53%, ?效率提升了2.55%。

圖11 GA優(yōu)化結(jié)果示意圖

表7 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

3.3 參數(shù)分析

圖12為SOFC工作溫度對聯(lián)合動力系統(tǒng)的影響曲線。在低溫環(huán)境下, 其歐姆損失和濃差極化損失很高, 盡管低溫環(huán)境可以提高能斯特電動勢, 但此時SOFC實(shí)際對外輸出的電壓值很低。在聯(lián)合動力系統(tǒng)中, 為了維持輸出功率在100 kW, 布雷頓循環(huán)分擔(dān)功率提升, 系統(tǒng)對熱量的需求提高, 因此循環(huán)產(chǎn)生的氫氣量提高, 導(dǎo)致SOFC系統(tǒng)效率下降。其中, 溫度從1 023 K提高了100 K, 氫氣需求量從0.687 5 mol/s降低至0.477 mol/s。圖12中, 隨著溫度的升高, SOFC的電阻損耗降低, 所能持續(xù)輸出的電壓得到提升。因此, 其效率呈上升趨勢。然而隨著溫度提高, 阻耗的損失逐漸難以抹平能斯特電動勢的降低, 因此輸出效率的提升趨于平緩。而在布雷頓循環(huán)中, SOFC工作溫度提高10%, 會使得布雷頓循環(huán)溫比提高1.13%, 布雷頓循環(huán)比功率提高2.76%。盡管工作溫度影響聯(lián)供系統(tǒng)各個節(jié)點(diǎn)耦合換熱的計(jì)算, 但提高工作溫度對布雷頓循環(huán)效率的影響并不明顯, 僅約3%?？傮w來看, 工作溫度的提高優(yōu)化了SOFC工作環(huán)境, 提高了布雷頓循環(huán)溫比, 進(jìn)而增大系統(tǒng)的總輸出效率, 但對SOFC的增益大于對布雷頓循環(huán)的增益。

圖12 SOFC溫度對聯(lián)動系統(tǒng)的影響曲線

圖13給出了氦氙壓氣機(jī)壓比對聯(lián)合動力系統(tǒng)的影響曲線。壓比的提升主要影響布雷頓循環(huán)的輸出性能, 對SOFC本體的工況沒有影響。隨著壓比的提高, 布雷頓循環(huán)需求比熱降低, 循環(huán)溫比提高, 布雷頓循環(huán)比功率提升。在固定輸出量級100 kW的情況下, 布雷頓循環(huán)流量降低, 需求總熱隨壓比呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。由于循環(huán)產(chǎn)生熱主要由循環(huán)產(chǎn)生的氫氣量決定, 因此SOFC的電流密度和電壓受到了影響, 改變了其輸出效率。

圖13 壓比對聯(lián)動系統(tǒng)的影響曲線

如圖13所示, 布雷頓循環(huán)輸出效率隨著壓比的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 這與圖7中輸出效率的變化趨勢相同。在固定系統(tǒng)輸出量級的情況下, SOFC效率也呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。圖13中最大提升率為3.05%, 最大降低率為4.03%。布雷頓循環(huán)壓比從1.5提升至2, 布雷頓循環(huán)輸出功率占比提高了2.16%。總體來看, 布雷頓循環(huán)壓比對系統(tǒng)輸出效率的影響存在一個峰值。圖中, 溫度參數(shù)1 123 K, 壓力參數(shù)600 kPa, 壓比峰值在1.9左右。

SOFC工作壓力對聯(lián)合動力系統(tǒng)的影響如圖14所示。圖中, 壓力從400 kPa提升到600 kPa, 優(yōu)化了內(nèi)部氣體分壓, 進(jìn)而提高了電池電壓, 輸出效率提高了5.21%。工作壓力的提升對布雷頓循環(huán)效率的影響很低, 僅提高了0.082%?？傮w來看, 工作壓力的提高優(yōu)化了SOFC性能, 增大了輸出效率, 對布雷頓循環(huán)沒有過多的影響, 總體提高了系統(tǒng)的輸出效率。

圖14 SOFC壓力對聯(lián)動系統(tǒng)的影響曲線

4 結(jié)束語

為滿足水下航行中長航時、大航程、高功率密度的動力發(fā)展需求, 利用鋁水反應(yīng)的高功率密度優(yōu)勢, 與燃料電池和閉式布雷頓循環(huán)共同作用, 構(gòu)造了一種適用于水下動力AIP系統(tǒng)SOFC/氦氙布雷頓聯(lián)合雙閉式循環(huán)動力裝置, 通過對該雙閉式動力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化, 得到以下結(jié)論。

1) 通過敏感性分析, 影響系統(tǒng)工況性能的主要參數(shù)包括SOFC工作溫度、工作壓力和布雷頓循環(huán)壓氣機(jī)壓比。

2) 通過對系統(tǒng)各部件工作參數(shù)進(jìn)行分析, 結(jié)果表明: 在固定系統(tǒng)輸出功率為100 kW的情況下, 提高SOFC的工作溫度與工作壓力主要優(yōu)化了系統(tǒng)的工作環(huán)境和熱效率, 增加輸出功率的分配比例, 對SOFC的增益大于對布雷頓循環(huán)的增益。而壓氣機(jī)壓比的變化影響了布雷頓循環(huán)輸出功率的分配比例, 導(dǎo)致主循環(huán)中電流密度、耦合熱量等發(fā)生改變, 對SOFC熱效率也呈現(xiàn)先升高后下降的影響趨勢。總體看來, 壓氣機(jī)壓比對布雷頓循環(huán)分擔(dān)功率比例的提高存在一個峰值。

3) 文中通過GA對雙閉式聯(lián)合動力系統(tǒng)工況參數(shù)加以優(yōu)化, 結(jié)果表明: 在固定系統(tǒng)輸出功率為100 kW的情況下, 在SOFC工作溫度為1 223 K, 布雷頓循環(huán)壓氣機(jī)壓比為2.011, SOFC工作壓力為600 kPa時, 系統(tǒng)輸出效率最高為42.55%, 對比原型設(shè)計(jì)提高了2.53%, 系統(tǒng)?效率為49.04%, 較原型設(shè)計(jì)提高了2.55%。

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Optimization for Design of SOFC and Helium Xenon Brayton Double- Closed Cycle Combined Power System Based on Metal Fuel

WANG Jia-bin1, XU Hu1, DONG Ping1, GUO Zhao-yuan2, ZHENG Qun1

(1. School of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150000, China; 2. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To improve the thermal efficiency and duration of an air-independent propulsion power system, a double-closed cycle combined power system is proposed, which is based on the aluminum–water reaction and consists of a closed helium-xenon Brayton cycle and a closed solid oxide fuel cell(SOFC) system. A mathematical model of the system is established, and the output power is fixed at 100 kW. By analyzing the sensitivity influence of the main parameters of the system, it is found that the working temperature and pressure of the SOFC and the compressor pressure ratio of the Brayton cycle have a certain promotion effect on the output power of the system. The research found that increasing the working temperature and pressure of the SOFC increases the thermal efficiency and power sharing ratio of the SOFC system, and also influences the same parameters of the Brayton system. The research also found that increasing the pressure ratio increases the power sharing ratio of the Brayton cycle, increases the thermal efficiency of the SOFC system first and then decreases it, and the thermal efficiency peaks through variations in the compressor ratio. After optimization of the genetic algorithm, the thermal efficiency of the double-closed cycle combined power system is 2.53% higher than that of the prototype design, and the exergy efficiency is 2.55% higher than that of the prototype design. The thermal efficiency of the system is effectively improved.

double-closed cycle combined power system; solid oxide fuel cell(SOFC); Brayton cycle; metal fuel; optimization design

TJ630; TK12

A

2096-3920(2021)06-0659-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.003

王佳賓, 徐虎, 董平, 等. 基于金屬燃料的SOFC/氦氙布雷頓雙閉式循環(huán)聯(lián)合動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 659-666.

2021-08-24;

2021-11-01.

中國博士后科學(xué)基金(227767).

王佳賓(1997-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)動力機(jī)械.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)