kW級SOFC系統“Hot-BOP”數值模擬和驗證

廖火生，張 霖，張淑興，齊宇博，朱 江

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518031)

隨著全球非可再生能源的日趨匱乏以及氣候變暖對環境造成的不利影響愈演愈烈，人類對清潔能源、環境友好型能源技術的需求極其迫切。在實現“雙碳”目標的背景下，高效率、低排放的電力生產技術在很長一段時間內將會是能源領域的熱點話題。燃料電池通過電化學反應將碳氫化合物中的化學能直接轉換為電能并生成水，整個過程不受卡諾循環和能量轉換效率的限制，相比常規的發電方式具有高效率以及清潔無污染等絕對優勢[1]，被稱作第四代發電方式[2]。其中，固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)在眾多燃料電池中以其燃料適應范圍廣、低排放污染小[3]、無漏液腐蝕、工作壽命長、綜合效率高等特點，被譽為21 世紀最具前景的綠色發電系統[4]。

SOFC 最顯著的特點是電堆工作溫度高、余熱溫度高，非常適合熱電聯供系統，綜合效率可達90%以上。熱管理系統是確保SOFC 電堆安全、長壽、高效運行的基本保障[5]，熱管理系統本質上就是利用燃燒器、換熱器、重整器等核心設備充分利用電堆電化學反應后的尾氣所攜帶的熱能，使得電堆能夠維持在合適的工作溫度，同時在環境與系統之間構建絕熱邊界，有效減小散熱損失[6]，可以說是SOFC 能否成為獨立發電系統的根本。

通常習慣上將這些熱設備構成的整體稱為“Hot-BOP”，熱箱(hot-box)是熱管理系統設計中常見的技術[1,7-9]。熱箱簡言之是一個由保溫材料組成的近似封閉結構，作為系統設備部件與外部環境共同的絕熱邊界，其內部集成布置了“Hot-BOP”設備部件以及電堆。熱箱技術可以顯著提高SOFC 發電系統的集成化程度，減小系統體積，這對于kW 級小型發電系統顯得尤為重要。不同于常規的設備單獨絕熱方式，將設備集中布置于熱箱內部之后，設備與設備之間存在熱耦合效應，為熱管理系統的設計帶來挑戰。熱管理系統在進行能量衡算時，通常假定設備部件是絕熱的，熱耦合效應使得設備的實際運行環境偏離假定環境，造成設備的設計輸入參數存在模糊性。因此，在系統層級的正向設計過程中，考慮設備之間的熱耦合效應是很重要的[10]。

Kashif Rashid 等[1]設計了適用于1 kW SOFC 系統的熱箱，采用CFD 方法對換熱器、尾氣燃燒器和重整器進行模擬，其模擬工作僅考慮了燃燒器和重整器的熱耦合效應，發現燃燒重整一體化設計在滿足重整器功能的基礎上具有緊湊化以及改善系統效率的優勢。

張琳等[10]采用降階的方法對5 kW 固體氧化物燃料電池發電系統進行建模與仿真，結果表明降階模型具有建模簡單和精度高的優點，需要指出的是，這種方法對電堆和換熱器進行了顯著簡化，依然無法對換熱器等設備之間的熱耦合影響以及對系統運行的影響進行預估。

Gyu-Hong Choi 等[11]對“Hot-BOP”復合保溫層分區保溫的熱箱溫度進行數值分析，表明當復合保溫層導熱系數為0.04 W/(m·K)時，其熱穩定性較高。該數值分析內容尚未關注設備之間的熱耦合效應，僅強調熱箱內的溫度差異性。

Han-Taw Chen 等[12]對SOFC 熱箱及內部新型的板式換熱器進行數值模擬和實驗研究，采用不同的湍流模型對熱箱和換熱器的自然對流換熱耦合換熱進行計算，分析了內部空氣的流動形態和溫度分布規律。

上述文獻雖然對“Hot-BOP”及熱箱進行了相關研究，但是設備之間熱耦合的定量計算、熱設備的絕熱方式對熱耦合的影響以及對系統設計的影響等尚缺乏深入的分析。本文以kW 級基于甲烷的SOFC 發電系統為例，對熱箱及“Hot-BOP”開展數值模擬研究，通過熱耦合的定量計算，分析不同保溫方案對熱耦合效應以及系統設計的影響，并在樣機系統上測試三種方案的實際效果，為SOFC 熱管理系統的正向設計提供參考。

1 模型描述

本文kW 級SOFC 系統的熱箱及“Hot-BOP”組成及三維模型如圖1。熱箱由高性能絕熱板組成，內部的“Hot-BOP”包括了SOFC 電堆、尾氣燃燒器、蒸發器、燃料預熱器和空氣預熱器，其中電堆位于其它設備之上，以方便拆卸更換。電堆為平板式SOFC，蒸發器和預熱器均為板式換熱器，尾氣燃燒器采用部分預混燃燒方式。為了減小數值分析計算量，并獲得較高質量的計算網格以提高數值分析精度，各設備的外形進行了簡化。另外，本文模型忽略了管道和設備支承件，僅考慮主要設備的傳熱，熱箱及“Hot-BOP”設備部件尺寸詳見表1。

圖1 kW 級SOFC 熱箱及“Hot-BOP”組成

表1 熱箱及“Hot-BOP”設備部件幾何信息 mm

為了研究熱箱內部“Hot-BOP”設備的絕熱方案與熱耦合的關系，本文設計了三種絕熱方案：第一種方案在熱箱內部安裝高性能保溫材料；第二種方案在熱箱內部安裝常規保溫棉；第三種方案在熱箱內部不額外安裝保溫材料，保留空氣層。三種方案的保溫材料熱物性參數如表2 所示，其中導熱系數為各向同性。

表2 保溫材料物性參數

2 數值模擬

2.1 建模求解

按表1 所述kW 級SOFC 熱箱和“Hot-BOP”設備幾何尺寸信息建立三維計算模型，對模型進行六面體網格離散化(圖2)，并在通用商業CFD 軟件FLUENT 上開展數值計算。

圖2 六面體網格離散化

“Hot-BOP”設備的溫度邊界按平均工作溫度均勻施加到表面上，各設備的平均溫度如表3 所示。熱箱的外表面為第三類邊界條件，環境溫度25 ℃，綜合換熱系數為9.8 W/(m2·℃)

表3 “Hot-BOP”設備平均溫度 ℃

方案1 和方案2 只需求解固體導熱方程，按表2 的導熱系數設置材料屬性；方案3 為封閉空間輻射自然對流換熱計算，空氣的密度采用不可壓縮理想氣體(incompressible-idealgas)模型，該模型對氣體密度變化幅度較大的場合更為適用。采用SSTk-ω 湍流模型計算熱箱內的湍流流動，該模型需要對近壁面網格進行細化，控制無量綱近壁距離Y+近似等于1。本文采用精度較高的離散坐標模型(DO 模型)計算熱箱內設備之間的輻射傳熱，由于空氣間隙厚度不大，空氣對輻射的吸收和散射均不考慮。各設備的表面為氧化的不銹鋼，發射率設為0.9，熱箱內表面的發射率為0.85。

為了改善收斂效果，壓力速度耦合采用Coupled 算法。壓力的離散采用PRESTO!算法，以提高近壁速度結果的準確性。數值計算的收斂判據設定為：能量方程殘差為10－6，DO輻射強度殘差為10－6，其余變量的殘差為10－3。

2.2 結果分析

“Hot-BOP”設備三種絕熱方案下，熱箱內的溫度分布如圖3 所示。熱箱內部空間以及外表面溫度最大值、最小值和平均值見表4。可以明顯看到，隨著保溫材料導熱系數的增大，熱箱內的溫度分布呈現均勻化趨勢。特別是未安裝保溫材料時，經過熱箱內部空氣的自然對流以及設備間的輻射傳熱，溫度均勻性更為顯著。通常為了安全運行，SOFC 電堆要求陽極入口和陰極入口溫差不能過大，高的溫度均勻性有利于減少兩極的入口溫差，彌補由于換熱器熱交換能力設計偏差造成的溫度差異。保溫材料導熱系數越小，熱箱外表面平均溫度越低，這對于減小系統的整體散熱損失是有利的。高性能保溫材料由于導熱系數很小，保溫效果明顯優于常規的保溫棉材料。

圖3 不同絕熱方案對應熱箱內部溫度分布

表4 熱箱內部空間和外表面溫度 ℃

不同的絕熱方案下，“Hot-BOP”設備的熱耦合結果如圖4 所示。可以看到，隨著內部保溫材料導熱系數的增大，設備的熱耦合效應愈發強烈。本文的kW 級SOFC 系統空氣預熱器、蒸發器和燃料預熱器的設計換熱功率分別為1 820、276和200 W。采用高性能保溫材料時，系統散熱量最小，且設備與熱箱環境的熱交換量最低，各設備的熱耦合量相對絕熱假設條件下的設計熱功率偏差不是很顯著。采用常規保溫棉時，由于材料的導熱系數有明顯增大，熱耦合量也有明顯增加。當不安裝任何保溫材料時，熱耦合量幾乎發生量級的變化甚至改變了熱傳遞方向，熱箱散失到外部環境的熱量大大增加，會對系統的運行功率和效率帶來非常不利的影響。在總的傳熱量中，輻射傳熱幾乎占了90%以上，這種情況下，系統實際的運行狀態可能會顯著偏離理論衡算情況。同時也說明采用固體保溫材料可以通過減弱輻射傳熱來顯著降低熱耦合，這種保溫方式使得工藝系統和設備的設計相對簡單，采用絕熱假設進行能量平衡計算獲得的工藝參數作為設備設計輸入不會帶來顯著的偏差。對于方案3，從減小環境散熱損失角度出發，只需增加熱箱的保溫層厚度即可。但與此同時，熱箱的體積也會有所增大，因此選用導熱系數小的保溫材料很有必要，本文所述的高性能保溫材料非常適用于SOFC 系統。方案3 由于強烈的熱耦合效應，系統和設備的設計難度將會增加。

圖4 不同絕熱方案對應熱箱內部熱耦合及環境散熱結果

3 系統測試

上述針對“Hot-BOP”設備不同的絕熱方案在kW 級系統上開展了效果測試，圖5(d)為熱箱外觀，圖5(a)～(c)展示了相同的空氣、燃料和水流量下，三種絕熱方案主要工藝參數實測值和理論衡算值的對比。可以看出，由于方案1的保溫效果很好，介質經過換熱到達電堆入口時，溫度高于理論值。又因為保溫材料減弱了熱耦合效應，各狀態參數趨勢符合實際預期，也比較接近理論衡算值。另外由于電堆本體的散熱也很小，因此電堆的運行溫度高于理論值。在方案1下，電堆實現滿功率運行，發電效率達60%以上，功率和效率均達到理論設計值。對于方案2 和方案3，隨著保溫效果的惡化，電堆越來越偏離合適的運行溫度，又由于很強的熱耦合效應，設備的狀態參數與理論衡算值偏差顯著，趨勢甚至背離預期，比如換熱器的冷側或熱側的溫度朝著反方向變化。需要指出的是由于方案2 的電堆未達到理想的運行狀態，燃料利用率不高，因此尾氣可燃成分較高，造成燃燒尾氣溫度比方案1 高，同時電堆的運行功率和效率遠遠不及方案1。而采用方案3 時，由于熱耦合造成的設備實際參數偏離以及散熱損失過大，未使電堆達到運行溫度，但與此同時也發現空氣和燃料在經過熱耦合后達到電堆入口時，兩者溫差有一定減小。

圖5 不同絕熱方案下主要工藝參數實測值和理論衡算值的對比(括弧數據為實測值)

4 結論

本文對kW 級SOFC 系統“Hot-BOP”設備三種不同的絕熱方案進行了數值模擬，得到了熱箱內部的溫度場以及設備的熱耦合情況，結果表明：(1)隨著內置保溫材料導熱系數的增大，熱箱外表面溫度升高，熱箱內的溫度分布呈現均勻化趨勢，有利于減小電堆的溫差；(2)保溫材料導熱系數增大，設備的熱耦合效應愈發強烈，總體散熱損失也越大，工藝系統和設備的設計難度將提高。

在系統樣機進行了三種絕熱方案的實測驗證，得到了系統的運行工藝參數，結果表明：(1)熱耦合效應的增強將顯著造成設備的實際運行參數偏離理論衡算結果，進而影響系統運行參數；(2)三種方案中，熱箱內置高性能保溫材料的方案最優，此方案下系統實現滿功率運行，效率達60%以上，功率和效率均達到理論設計值；(3)“Hot-BOP”安裝高性能保溫材料可以顯著減弱熱耦合效應，降低換熱設備的設計難度，易于使系統運行參數接近理論衡算值。從本文kW 級系統運行測試實踐看，高性能保溫材料相比傳統保溫材料更適用于SOFC 系統。