固體氧化物燃料電池（SOFC）HOT-BOX設計與開發

郭樹生

摘 要：自然界絕大多數流動和傳熱問題均可用數學公式來描述，方程是基于普遍的守恒定律得出，包括質量守恒、動量守恒及能量守恒。然而，這些方程組均為偏微分方程，僅在理論上存在唯一解。實際工程問題，計算域往往十分復雜，是不可能得到精確的解析解。近幾十年來，逐步盛行的數值計算方法，借助計算機技術，使解決實際工程問題成為可能。本文借助計算流體力學（CFD）軟件Ansys Fluent，利用數值計算技術，通過計算機數值模擬，對HOT-BOX進行設計和開發。

關鍵詞：CFD;有限體積法;熱箱

0 引言

SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）是一種實現燃料化學能和電能兩種能量載體間高效轉換的技術。常規發電技術因受卡諾循環限制，發電效率一般為30-40%，SOFC發電效率能達到60%，顯著提高能源利用率。同時，SOFC又是一種清潔、低碳的發電技術，氮氧化物和煙塵排放接近于零，契合國際《京都議定書》和《巴黎協定》控制溫室氣體排放的環境公約。另外，SOFC的燃料適應性廣，適用于甲烷、丙烷、氫氣、一氧化碳、人工煤氣、沼氣、乙醇等常規燃氣，借助現有化工、市政行業的基礎設施，容易實現大規模商業應用。最后，SOFC發電技術應用范圍廣，在便攜式電源、分布式熱電聯供、高性能動力電源和大型發電站均可實現應用。

1 SOFC發電技術簡介

SOFC是一種電化學反應技術。在陽極，燃料化學鍵被破壞，化學分子變成游離原子，電子在電極電位的驅動下，通過外電路流向陰極，產生電流。在陰極，氧氣共價鍵被破壞，急需俘獲從陽極過來的2個電子變成穩定結構，在電位差和濃度差雙重驅動下，通過中間電解（YSZ），到達陽極和2個質子結合，生成1個水分子。

日本是SOFC產業化最成功國家，我國起步較晚，當前尚未形成SOFC-CHP應用產品，市場還處于真空狀態。

1999年，日本政府設立“新日光計劃”，燃料電池作為新一代發電技術進入公眾視野。日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）委托日本燃氣協會研制1kW質子交換膜燃料電池（PEFC）型熱電聯供（CHP）樣機（PEFC-CHP）。隨后，由松下電器、三洋電機和松下電工試制的3個1kW系統分別安裝在東京、大阪和東邦3個煤氣公司，并與實驗住宅相配合進行測試。2000～2004年，NEDO進一步加快推進PEFC-CHP技術商業化，吸引荏原-Ballard、三洋電機、東芝、豐田、富士電機、松下電器、松下電工、三井物產、三菱重工和三菱電機等單位投入燃料電池研發。2004年，松下、東芝等公司陸續推出了自主研發的PEFC-CHP樣機，功率均在1kW左右。東京燃氣公司在2005年2月采用租賃方式向200個日本家庭提供PEFC-CHP系統，標志著日本家用燃料電池進入商業化試運行階段。同期，具有更好性能的固體氧化物燃料電池（SOFC）的研發逐步增多。在SOFC型家用燃料電池熱電聯供（CHP）系統（SOFC-CHP）研發方面，吉坤能源公司研制的SOFC-CHP型家用燃料電池系統2011年正式進入市場，率先實現了SOFC的商業化運行。2012年3月，日本大阪燃氣公司、愛信精機公司和京瓷公司合作推出SOFC-CHP系統有效解決了電池堆耐久性問題，產品于同年4月份上市。2016年4月，大阪燃氣公司推出了新一代SOFC型家用燃料電池熱電聯供系統。

2009年，PEFC-CHP全面進入市場。2011年，SOFC-CHP全面進入市場。截止2017年4月，兩種產品已累計銷售20萬套，其中PEFC-CHP占90%，2015年售價每套136萬日元，約合人民幣8萬元;SOFC-CHP占有10%，2015年售價175萬日元，約合人民幣10.5萬元。預計2020年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累計銷售140萬套，市場容量達千億元人民幣量級。2030年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累計銷售530萬套，市場容量達五千億元人民幣量級。

2 問題來源

SOFC作為一種高度集成化的發電產品，各種零部件要壓縮布置。SOFC電堆溫度高達800℃，緊湊性布置必然要考慮SOFC電堆對周圍部件和元器件熱威脅問題，特別是PLC控制系統、電氣元器件、電纜和儀表線等，這些電氣化部件難以耐受超過40℃的高溫。因此，在考慮產品高度集成化同時，分析機柜內散熱問題，通過合理隔熱設計、分區布置等，確保非機械器件的熱安全顯得尤為必要。

本文依然使用CFD技術，但采用ANSYS Icepak專業散熱分析軟件，對原始模型進行適當簡化和假設，很好地解決了該問題。

3 計算模型創建

3.1 物理模型和假設

根據當前產品布置方案，總體分布為三層結構：

第一層為熱區，主要布置電堆熱箱、高溫換熱器、重整燃燒一體器，和高溫管道;

中間層為過渡區，主要布置蠕動泵、空氣鼓風機和低溫熱交換器、低溫管道等;

最頂層為冷區，主要布置PLC控制系統。

關于管道熱源假設：考慮高、低溫管道均設置絕熱保溫材料，相比高溫設備，其傳熱面積較小，對機柜內受限空間的熱力場和流體場影響較小，可通過設備換熱給予懲罰，包羅其影響。從另外一個角度考慮，簡化管道傳熱計算，能夠大大降低CFD計算模型的網格數，提高計算收斂性。出于上述兩方面原因考慮，本報告不考慮機柜內管道的散熱分析。

關于設備熱源假設：SOFC電堆外表面溫度取800℃（第1類邊界條件），考慮其對周圍設備的輻射換熱;其他高溫設備設計上要求考慮保溫，限制設備外表面溫度不超過50℃，因此，重整燃料一體器、高溫換熱器、低溫換熱器等外表面均保守取50℃。

關于機柜柜體假設：柜體為2mm厚的金屬材料，實際上是存在一定換熱能力，為獲得保守的散熱結果，本報告認為“柜體非通風區域，均為絕熱邊界條件，即第2類邊界條件”。

關于柜體通風假設：采用ANSYS Icepak Grille模塊Perforated thin vent模擬，開孔率取0.45，其中阻力系數（Resistance type）按照下式計算：

式中，F為開孔率。

3.2 計算模型和說明

根據對物理模型的簡化和假設，采用ANSYS Icepak專業的熱分析軟件，進行建模，獲得機柜內部計算域和計算模型為：

4 求解器與殘差設置

4.1 自然對流

機柜內散熱無風機、無強制對流。因此，存在自然對流情況，在求解器設置中，啟用自然對流控制方程：

式中，ρg代表浮力項，因此必須要考慮重力。

4.2 湍流方程

本報告湍流方程采用零方模型，但對求解器中其他湍流模型也予以介紹：

Fluent中湍流模擬方法包括Spalart-Allmaras模型、標準k-ε模型、標準k-ω模型、SST k-ω模型、RSM（Reynolds Stress Model）模型、LES（Large Eddy Simulation）模型等。本文中主要運用到標準k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型，它們是Reynolds時均方程法中的湍流粘性系數法，把湍流應力表達成湍流粘性系數的函數。

4.3 輻射換熱

本報告熱模型相對較復雜，存在大量的輻射換熱行為，如果選擇S2S輻射換熱模型或者光線追蹤法計算輻射換熱角系數，那么要求計算機有較大內存。本報告采用單位配置的員工筆記本，內存為8G，不宜采用S2S輻射換熱模型或者光線追蹤法，宜采用Discrete ordinates輻射模型。

4.4 殘差設置

本報告連續性方程殘差設置為0.001，能量方程殘差設置為1e-7，Discrete ordinates輻射換熱方程設置為1e-6，Joule heating 設置為1e-7。迭代步數為500步，經計算，本算例表現出良好的收斂性，約200步時，已全部收斂。

5 計算結果與后處理

最高溫度為800℃，為電堆表面溫度。最低溫度為20℃，為環境溫度。機柜內部各空間溫度大部接近20℃，這說明輻射換熱和自然對流對柜體內的影響可控。選擇電堆、電堆熱箱、重整換熱一體器和高低溫換熱器，高溫設備表面溫度50～100℃。對機柜切面進行分析，電堆溫度最高800℃，100mm絕熱材料致使電堆熱箱表面溫度低于100℃，典型取樣溫度為53.95℃。PLC控制系統冷區溫度略高于環境溫度20℃，因為計算模型考慮其絕熱封閉，少數熱量從導熱板進入封閉空間，致使溫度略增4-5℃，但仍然低于電氣元件的耐受溫度（40℃）。

計算表明：隔熱板的設計能夠保護低溫區免收熱空氣襲擾。

在機柜底部平面放置500個失重粒子，觀察柜體內熱空氣流動情況，計算結果表明：空氣流動幾乎圍繞電堆熱箱，說明在熱箱附近有較強自然對流。此外，隔熱板上部無空氣流動，說明隔熱板抵擋住熱量傳遞，PLC封閉空間內受熱非常均勻。到絕大部分溫度分布于電堆熱箱、換熱器和重整器表面，絕熱效果良好。

6 結論

通過計算模擬，采用10mm厚度普通硅酸鋁纖維隔熱板，能夠有效地保證PLC機構冷區絕熱。在實際操作中，通過PLC機柜增加散熱孔低成本方式，更加利于受限空間熱量擴散，強化該結論。有關儀表和電纜接線沿著四周布置，能夠有效地保證自身安全性。此外，機柜內部大空間溫度多集中于20～30℃，不會影響儀表安全使用。

參考文獻：

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