燃料電池-燃氣輪機底層循環性能研究

詹海洋，梁前超，朱潤凱，文 強

(海軍工程大學，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能轉化為電能的電力發生裝置，打破卡諾循環（Carnot cycle）熱效率的限制，具有傳統熱機不可比擬的高效性。其尾氣含有一定量未反應的氫氣，可通過催化燃燒室進一步提高尾氣初溫，利用燃料電池-燃氣輪機熱電聯合循環，其系統熱效率高達60%[1]。燃料電池-燃氣輪機聯合循環動力系統應用于下一代艦艇常規動力裝置具有高效、環保、安全等優點。

西門子公司已于2000年實現100 kW級的燃料電池-燃氣輪機聯合發電系統的運行[2]，國內聯合循環系統大多尚處于理論研究階段，目前針對系統功率匹配、參數優化研究甚少。目前國內大功率電堆制備技術尚不成熟，為實現電堆與微型燃氣輪機功率匹配，提出多組電堆與微型燃氣輪機聯合循環系統結構。本文構建的一維分布式集中參數數學模型，在滿足動態響應的前提下，適當簡化模型復雜程度，節省計算成本，為探索燃料電池-燃氣輪機聯合發電系統在艦船電力綜合系統上的應用打下堅實基礎[3]。

1 構建系統數學模型

目前燃料電池-燃氣輪機聯合循環主要有頂層循環與底層循環2種結構，分為常壓型板式燃料電池與微型燃氣輪機底層循環，加壓型管式燃料電池與微型燃氣輪機頂層循環[4]。本文多組燃料電池堆與微型燃氣輪機聯合循環系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構拓撲圖Fig. 1 System structure topology

該系統主要由2個相同的燃料電池堆、微型燃氣輪機、換熱器、催化燃燒室、預重整器等組成。燃料與部分高溫陽極尾氣混合進入預重整器重整，再進入燃料電池陽極反應，利用陽極尚未完全反應的氫氣，提高燃料電池的燃料利用率。燃料電池尾氣經過催化燃燒室催化燃燒，進一步提高尾氣初溫。壓氣機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實現系統燃料利用率最大，燃料電池堆并聯實現系統功率最大。此系統燃料電池與燃氣輪機沒有工質的交換，只存在能量上的傳遞，故可減少整個系統的耦合關系，使得系統更加靈活可控。

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，為保證不發生積碳現象，氣碳比大于3，在催化劑的作用下電堆內部發生重整與置換2個可逆反應[5]：

通過重整反應速率確定甲烷消耗的速率：

式中：重整階數α=0.85，β=–0.35；重整反應活化能Er=95 kJ/mol；重整反應速率系數Kr=8 542。實驗表明甲烷的消耗速率對電堆動態性能具有一定影響，但在電堆穩態放電狀態下，尾氣中甲烷的剩余量可以忽略不計，甲烷的重整反應達到平衡狀態：

相對于重整反應，置換反應速率更快，可以更快達到平衡狀態，使得置換反應的瞬時動態對電堆的動態效應影響忽略不計：

陽極板與陰極板主要發生如下電化學反應：

電化學反應產生電堆的電壓可以由Nernst方程表示：

堆棧單元實際運行電壓：

燃料電池板沿徑向非常薄，溫差很小，假設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與電極發生的強制對流：

實驗表明通道內氣體為層流，陽極通道與陰極通道雷諾數分別取66與287，利用雷諾數與普朗克數的相關性，確定傳熱系數：

電堆溫度模型約束條件為：

1.2 微型燃氣輪機模型

本文微型燃氣輪機選用離心式壓氣機，向心式渦輪。壓氣機系統包括過濾器、進氣管道、通流部分及擴壓器等部分。壓氣機的輸入參數為大氣環境條件，輸出參數為壓縮耗功、壓氣機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的經驗公式，即壓力損失和流量的平方成正比：

壓氣機是一個高度非線性的部件，本項目采用非線性模塊化建模方法。根據相似理論，壓氣機的工作特性可以用壓比、折合轉速和折合流量以及熱效率4個參數的關系來表示。在壓氣機數學模型中假設:工質通過壓氣機外殼與外界的熱交換忽略不計；忽略流體質量力及動量作用的影響[9]。

質量守恒方程：

壓氣機壓比、流量特性：

壓氣機耗功：

壓氣機出口空氣溫度：

渦輪模塊與壓氣機模塊類似，因此，假設：忽略渦輪內部氣體容積；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口；忽略流體質量力和動量作用的影響。

渦輪膨脹比、效率特性：

渦輪做功：

渦輪出口燃氣溫度：

1.3 換熱器模型

燃料電池高溫尾氣經過催化燃燒室的催化燃燒，溫度得到進一步提升。采用換熱器與燃氣輪機換熱，替代燃氣輪機燃燒室。換熱器熱計算有平均傳熱溫差法和效能-傳熱單元數（ε-NTU）法。效能-傳熱單元數法收斂速度較快，但隨著計算機計算速度的提升與計算成本的下降，效能-傳熱單元數法計算量小的優勢逐步喪失，而平均傳熱溫差法可以得到溫差修正系數可以得到換熱器結構設計的優劣，所以目前設計計算一般使用平均傳熱溫差法。

以系統熱平衡為收斂條件：

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

2 性能研究

本文采用實驗與仿真相結合的方法探究燃料電池與燃氣輪機聯合循環性能，并對其優化。電堆采用索福人公司生產板式電堆。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，實驗得到燃料電池堆基礎結構參數。

燃料電池與燃氣輪機聯合循環仿真初始參數如表1所示，對模型進行仿真驗證。

圖3 電堆連接體結構Fig. 3 Structure of SOFC

圖4 電堆性能參數Fig. 4 Test curve

表1 仿真初始參數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-燃氣輪機聯合循環系統的效率特性如圖5所示。隨著工況的下降，燃料電池-燃氣輪機聯合循環系統效率先小幅升高后迅速下降。在聯合循環系統中燃料電池輸出功率約占系統總功率的80%，初始階段工況的降低使得燃氣輪機的效率降低，但燃料電池效率遠大于燃氣輪機效率，燃料電池輸出功率占系統總輸出功率比例升高，使得初始階段系統效率會有小幅度的升高。后隨著工況的進一步降低，燃料電池堆溫降低，效率急劇下降，燃氣輪機工作環境進一步惡化，效率大幅度降低，系統效率會迅速下降。

為實現燃料電池-燃氣輪機聯合循環在不同工況下均有較高的效率與燃料利用率，在高工況時采用雙堆并聯工作方式以提高系統的輸出功率，在低工況是采用雙堆串聯工作方式以提高系統效率與燃料利用率。在0.7工況時，系統由并聯狀態切換到串聯狀態，系統效率提升7.5%左右。這種工作模式保證了系統在不同工況下，系統效率大于50%。

圖7 系統功率特性曲線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，系統由并聯狀態切換到串聯狀態，此時電堆1在1 200 W額定功率下工作，對于電堆1尾氣中未能完全反應的氫氣，進入電堆2的陽極進一步反應。由于此時系統尾氣流量減小，使得微型燃氣輪機功率大幅度下降。

3 結 語

為實現燃料電池-燃氣輪機聯合循環系統在不同工況下均有較高的效率，提出改變循環結構的控制策略。優化系統各模塊間的功率分配，實現低工況時系統效率依然大于50%，相較于原循環系統效率提高7.5%。同時多堆燃料電池與燃氣輪機聯合循環解決了目前電堆功率不足的限制，為大功率聯合循環系統結構設計指明了方向。為燃料電池-燃氣輪機聯合循環動力系統在水面艦艇上的應用打下了堅實的基礎。