SOFC-GT耦合發(fā)電系統(tǒng)中燃料電池陰極氣流管理的半實物仿真研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池與微型燃氣輪機的耦合系統(tǒng)（SOFC/GT）能夠進一步提高能源轉化效率、減少污染排放、延長燃料電池壽命，是推動固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)化的有效措施，已成為固體氧化物燃料電池領域新的研究熱點和前沿方向。
　　固體氧化物燃料電池的工作溫度較高（約800~1000℃），電池內部的熱量管理和溫度控制已成為影響其性能和壽命的關鍵因素之一。在頂層循環(huán)SOFC/GT耦合系統(tǒng)中，這一問題顯得更加突出。外部運行條件的改變，如變負荷運行

2、，會直接影響到燃料電池內部的電化學反應過程，進而引起熱量變化，使得燃料電池溫度出現(xiàn)擾動。此外，固體氧化物燃料電池的排氣中的能量變化還會對處于下游的燃氣輪機系統(tǒng)造成巨大影響，進而影響燃料電池的陰極入口條件，從而引發(fā)更多的連續(xù)變化。已有研究表明固體氧化物燃料電池陰極入口氣體流量對于燃料電池內部熱量管理和溫度控制具有重要作用。但是現(xiàn)有研究多局限于燃料電池單系統(tǒng)，很少涉及SOFC/GT耦合系統(tǒng)，且多為數(shù)值模擬研究，研究結果的正確性和有效性有待檢

3、驗，尚不足以為SOFC/GT耦合系統(tǒng)的設計與運行提供理論依據(jù)。
　　針對現(xiàn)有研究不足，本文從工程熱物理學科角度出發(fā)，以SOFC/GT耦合系統(tǒng)為研究對象，利用美國能源部國家能源技術實驗室的 SOFC/GT半實物仿真系統(tǒng)，研究了固體氧化物燃料電池陰極入口空氣流量變化對SOFC/GT耦合系統(tǒng)的動態(tài)影響，提出了一種可用于 SOFC/GT耦合系統(tǒng)中燃料電池內部熱量管理的有效方法。本文的研究內容主要包括：①研究燃料電池外部負荷電流變化對SOF

4、C/GT耦合系統(tǒng)的動態(tài)影響，分析了燃料電池子系統(tǒng)內部的溫度和熱量管理的重要性，揭示了燃料電池子系統(tǒng)和燃氣輪機子系統(tǒng)的耦合關系；②利用SOFC/GT耦合系統(tǒng)中的設計旁路實現(xiàn)燃料電池陰極入口氣流的瞬變，研究耦合系統(tǒng)對于該擾動的動態(tài)響應特性，重點分析了燃料電池內部溫度、電流密度的變化以及燃氣輪機系統(tǒng)的動態(tài)響應；③通過調節(jié)壓縮機排氣旁通閥以改變SOFC/GT耦合系統(tǒng)中的空氣流量，研究燃料電池子系統(tǒng)和燃氣輪機子系統(tǒng)的動態(tài)響應。
　　本文主要

5、研究成果如下：
　　1)燃料電池子系統(tǒng)外部負荷變化會引起燃料電池內部的電化學反應變化，進而改變燃料電池內部的溫度分布。而在SOFC/GT耦合系統(tǒng)中，燃料電池子系統(tǒng)外部的負荷變化對燃氣輪機子系統(tǒng)產(chǎn)生了較大影響，負荷電流降低30 A造成燃氣輪機轉速上升2000 rpm，而燃料電池子系統(tǒng)外部的負荷電流增加15 A以上會導致耦合系統(tǒng)保護停機。
　　2)固體氧化物燃料電池陰極入口空氣流量的變化會對燃料電池內部的氣流溫度和固體溫度產(chǎn)生較

6、大的影響，使得出口氣流焓值發(fā)生迅速變化。當燃料電池陰極入口氣體流量變化（增大或減小）30％時，電池內部的電化學反應過程未發(fā)生明顯改變，但陰極流道內的氣體溫度和燃料電池固體材料溫度均發(fā)生了較大變化，使得燃料電池內部的熱耗散在5秒鐘之內改變了55 kW。同時，燃料電池陰極入口氣體流量變化對燃氣輪機的轉速影響顯著。燃料電池陰極入口氣體流量變化（增大或減?。?0%，導致燃氣輪機轉速在5秒內變化了（升高或降低）800 rpm，這會進一步影響到燃料

7、電池陰極入口氣體流量。燃料電池陰極入口氣體流量的有效管理有望成為應對SOFC/GT耦合系統(tǒng)中燃料電池子系統(tǒng)外部負荷電流改變的控制方法。
　　3) SOFC/GT耦合系統(tǒng)中燃料電池具有較大的熱容，會將其內部因運行參數(shù)變化而引起的影響放大，進而影響燃氣輪機子系統(tǒng)。因此燃料電池子系統(tǒng)的電池負荷、陽極燃料、陰極氣體參數(shù)等運行參數(shù)的變化，不僅會影響到燃料電池子系統(tǒng)，同時對于燃氣輪機也會產(chǎn)生具有較大影響，應當引起足夠的重視。
　　4)

8、SOFC/GT耦合系統(tǒng)中，壓縮機排氣旁通氣流的改變對燃氣輪機轉速影響非常顯著。旁通氣流增大4%，導致燃氣輪機轉速在20秒內降低了1500 rpm。同時使得固體氧化物燃料電池陰極入口氣體流量減小了約7%。這一變化沒有造成固體氧化物燃料電池內部明顯的電化學反應變化，但是使得陰極氣流在燃料電池內部的換熱發(fā)生變化，使得出口氣體焓值發(fā)生改變，并進一步影響到燃氣輪機子系統(tǒng)的運行。因此，SOFC/GT耦合系統(tǒng)中，壓縮機排氣旁通氣流是控制燃氣輪機轉速非