SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統性能分析研究

喬潤鵬，梁前超，何俊能，楊 凡

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

1 引言

由于設計、制造等工藝的復雜程度之大，燃氣輪機(GT)被譽為“制造業皇冠上的明珠”，但是在如今能源缺乏的情況下，燃氣輪機的能源利用效率較低也成為了亟需解決的問題。當今世界需要能夠滿足不斷增長的能源需求的高效系統。有希望的解決方案之一是燃料電池。固體氧化物燃料電池(SOFC)被許多發達國家視為能源的替代解決方案，在過去的10年中，通過降低成本和提高耐用性，已經做出了很多努力來使其商業化，已經開發和測試了不同的材料、設計和制造技術，以使其更具成本效益和穩定性。固體氧化物燃料電池與燃氣輪機(SOFC-GT)聯合循環系統，利用燃料電池的電化學反應，避開了卡諾循環的限制，提高了能源的利用率，增大了系統的輸出功率，從而起到節約能源、保護環境的作用，是目前最有發展潛力的發電方式之一。

在燃料種類方面，呂小靜等首先通過Matlab/Simulink軟件建立了中溫固體氧化物燃料電池-燃氣輪機(IT-SOFC-GT)聯合發電系統仿真模型；其次以木片氣為燃料，分析了氫氣、一氧化碳、甲烷所占百分比的變化以及汽碳比的變化對系統發電效率的影響。張軍等首先以污泥熱解氣為燃料，建立了SOFC-MGT聯合發電系統模型；隨后分析了電流密度、電堆溫度、燃料利用率對系統輸出性能的影響。耿孝儒等以生物質氣為燃料，建立了SOFC-GT混合發電系統仿真模型；其次分析了空氣流量和燃料流量對系統整體性能的影響。

在循環方式方面，呂小靜等通過建立IT-SOFC-MGT頂層循環仿真模型，分析了水蒸氣的含量對系統性能的影響。研究結果表明:隨著水蒸氣含量的增加，SOFC的輸出功率和發電效率有所下降，GT的輸出功率和發電效率有所提高；水蒸氣含量的減少，有助于提高整體系統的輸出性能。張會生等建立了SOFC-GT頂層循環模型和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)與燃氣輪機(MCFC-GT)底層循環仿真模型，并對2種循環系統進行了性能分析，最后得出結論：在頂層循環中SOFC-GT聯合發電系統的輸出性能更佳；在底層循環中，MCFC-GT聯合發電系統的輸出性能更佳。You等介紹了由SOFC和MGT等組成的微型多聯產發電系統，通過建立數學模型，分析了燃料利用率、空燃比等參數對微型多聯產發電系統性能的影響。2001年，西門子公司成功開發了一種100 kW級基于管狀SOFC的熱電聯產電力系統，并開發了220 kW級管狀SOFC-MGT混合動力系統。Massardo等研究了內部改造SOFC-MGT混合動力系統的設計點性能的特征。Kim等進行了類似的研究，但是使用了不同的數學模型，他們的模型考慮了其他具有實際重要性的物理現象并進行了改進，例如SOFC內部的熱傳遞。

在前人研究的基礎上，本文提出一種新型的SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統，并對其進行了建模仿真以及半實物實驗驗證，分析了不同燃料流量、不同燃料電池電堆溫度以及不同放電電流對系統的性能影響，為未來SOFC-MGT聯合系統在我國的商業化和船舶動力系統領域的應用奠定了理論支撐。

2 模塊化建模

2.1 假設條件

本文在建立SOFC-MGT動態模型時，做了如下假設：

1) 所有氣體為理想氣體；

2) 忽略系統與外界的熱交換；

3) 重整反應和水氣置換反應均處于平衡狀態；

4) 系統中的溫度、氣體組分和壓力均勻分布；

5) 系統采用集中參數模型。

SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統分為頂層循環鏈和底層循環鏈。空氣經過壓氣機壓縮后，分為2條出口：一條送入頂層循環鏈的SOFC的陰極參與電化學反應、反應后的尾氣經過催化燃燒之后，直接通入高壓渦輪，推動渦輪做功，稱為頂層循環鏈；另一條送入下部的底層循環鏈的SOFC的陰極參與電化學反應，電堆反應后的尾氣進行催化燃燒。頂層循環中經過高壓渦輪做功后的尾氣與底層循環催化燃燒產生的高溫氣體進行換熱，使其溫度得到進一步的提高，隨后通入低壓渦輪，推動渦輪做功。SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統結構示意圖如圖1。

圖1 SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統結構示意圖

2.2 預重整器模型

在預重整器中，主要包括甲烷的重整反應和水氣置換反應，化學反應式為：

CH+HO?CO+3H

(1)

CO+HO?CO+H

(2)

根據質量守恒方程可得：

(3)

2.3 陽極模型

甲烷在預重整器中產生的氫氣到達陽極與陰極傳送過來的氧離子發生反應，生成水并產生電子，輸送到外電路。反應式為：

H+O→HO+2e

(4)

此時陽極通道中為甲烷、氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳的混合物，根據質量守恒方程有：

(5)

式(5)中：為陽極出口氣體壓力；為電堆溫度；是陽極體積；7,為陽極出口氣體的摩爾分數；7,為陽極出口氣體的摩爾流量。

2.4 電化學模型

燃料電池單片實際電壓可以表示為：

=---act,-act,

(6)

式(6)中：為電堆理想可逆電壓；為歐姆極化；為濃度差極化；act,為陽極活化極化；act,為陰極活化極化。根據Nernst方程，電堆理想可逆電壓表示為：

(7)

=1.272 3-2.764 5×10

(8)

式(7)～(8)中：為標準電動勢；4,H為陽極出口氫氣的壓力；4,HO為陽極出口水的壓力；5,O為陰極入口氧氣的壓力；為電堆溫度。

2.5 壓氣機模型

根據質量守恒，可得壓氣機出口流量為：

=

(9)

式(9)中，、分別為壓氣機進出口實際流量。

壓氣機壓比為：

(10)

2.6 渦輪模型

微型燃氣輪機采用向心式渦輪，具有結構簡單、單級焓降大、運行范圍廣等優點。

渦輪做功為：

=(1--)

(11)

式(11)中：為渦輪入口溫度；為渦輪效率；為渦輪膨脹比。

至此，SOFC-MGT聯合循環系統的數學模型已經建立，通過Matlab/Simulink軟件，得到SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統仿真模型。

2.7 固體氧化物燃料電池測試系統

固體氧化物燃料電池測試系統如圖2所示，實驗室使用1 kW燃料電池堆由索福人公司生產制造，采用板式結構。燃料電池板流道設計為逆流，30片固體氧化物燃料電池采用串聯放電方式，電堆額定輸出功率1 kW。

圖2 固體氧化物燃料電池測試系統實物圖

3 性能分析

根據上述建立的SOFC-MGT頂層-底層循環仿真模型，結合實驗室現有的1 kW SOFC測試系統，本文SOFC-MGT頂層-底層循環系統仿真與實驗初始參數如表1所示。

表1 SOFC-MGT系統運行條件Table 1 Initial conditions of SOFC-MGT system operation

通過仿真與實驗測試，得到SOFC-MGT頂層-底層循環系統中SOFC的伏安特性曲線以及功率特性曲線如圖3、圖4。

從圖3、圖4中可以看出，本文搭建的仿真模型與實驗測試數據具有較好的一致性。在小于額定輸出電流43 A時，仿真模型與實驗測試數據的最大誤差為4.7%。當輸出電流為50 A時，由于電堆功率不變，而電堆的輸出電流太大，導致輸出電壓極具下降，此時仿真模型與實驗測試數據最大相對誤差為7.3%。

圖3 電堆伏安特性曲線

圖4 電堆功率特性曲線

3.1 不同放電電流

通過仿真得到不同放電電流時系統的功率變化曲線如圖5。

圖5 功率變化特性曲線

從圖5可以看出，隨著放電電流的逐漸增大，固體氧化物燃料電池輸出功率逐漸增大，微型燃氣輪機輸出功率逐漸減小，當固體氧化物燃料電池輸出功率達到最大時，微型燃氣輪機的輸出功率最小，隨著放電電流的進一步增大，燃料電池的各項損耗急劇增加，輸出功率逐漸減小。

通過仿真得到不同放電電流時渦輪的功率變化曲線如圖6。

圖6 渦輪功率變化特性曲線

從圖6可以看出，隨著放電電流的增大，高壓渦輪與低壓渦輪的輸出功率都逐漸減小，同時高壓渦輪的輸出功率要大于低壓渦輪的輸出功率。

圖7顯示了渦輪溫度隨輸出電流的變化特性，根據曲線可以看出，催化燃燒后的混合氣體經過高壓渦輪做功后，溫度明顯下降，在進入低壓渦輪前與換熱器換熱，溫度得到了顯著提升。隨著電堆輸出電流的增大，高壓渦輪和低壓渦輪進口溫度都逐漸減小，同時也表明高壓渦輪和低壓渦輪的輸出功率也相應的逐漸減小。

圖7 渦輪溫度變化特性曲線

3.2 不同甲烷流量

通過仿真得到不同甲烷流量時系統的功率、效率變化曲線如圖8、圖9所示。

圖8 系統功率變化特性曲線

圖9 系統效率變化特性曲線

從圖8、圖9可以看出，隨著電堆輸出電流的增大，系統的總輸出功率和效率都在不斷增大；隨著甲烷流量的增大，系統的最大輸出功率逐漸增加，但是效率在逐漸降低，這是因為甲烷流量越大，系統的燃料利用率越低，從而導致系統的效率也逐漸減小。因此，在變工況時，可以通過調節甲烷的流量來實現燃料電池始終保持較高的效率。

3.3 不同電堆溫度

通過仿真得到，不同電堆溫度時燃料電池的功率變化曲線如圖10所示，渦輪功率變化特性曲線如圖11所示。

圖10 電堆功率變化特性曲線

圖11 渦輪功率變化特性曲線

從圖10可以看出，隨著電堆溫度的升高，電堆的輸出功率在逐漸增大，這是因為電堆溫度的升高有利于降低電堆的損耗電壓，但是溫度的升高也對電堆的結構材料提出了更高的要求，溫度過高會引起電堆內部直接燃燒，損壞電堆。

由圖11可看出，電堆溫度的升高有利于提高渦輪的輸出功率。電堆溫度的升高會導致電堆陰極和陽極通道尾氣溫度的升高，使進入渦輪的氣體溫度提高，從而渦輪功率增大，但這也對渦輪材料的耐高溫性提出了更高的要求，進入渦輪氣體溫度的升高，有利于增大渦輪的輸出功率，同時也增加了渦輪的制造成本。

4 結論

通過對本文建立的SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統進行半實物仿真分析，得到以下結論：

1) 本文搭建的SOFC-MGT頂層-底層聯合循環系統仿真模型是合理的；

2) 隨著電堆輸出電流的增大，電堆的輸出功率逐漸增大，渦輪的輸出功率逐漸減小，系統的總輸出功率逐漸增大；

3) 隨著電堆溫度的升高，電堆的輸出功率逐漸增大，渦輪的輸出功率也逐漸增大；

4) SOFC-MGT頂層結構與底層結構聯合循環可以有效提高系統輸出功率。