煤基合成氣平板式固體氧化物燃料電池性能研究與優(yōu)化.pdf

1、隨著節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的呼聲日益高漲，以煤炭為能源主體的我國面臨著前所未有的壓力。但在相當(dāng)長一段時(shí)間里，煤炭仍是我國的主要能源，因此，高效、清潔地利用煤炭資源，對緩解我國能源壓力、提高能源利用效率和減少溫室氣體排放有著重要的意義。煤氣化燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)混合動力循環(huán)（IGFC/GT）使煤炭清潔利用成為可能，具有良好的發(fā)展前景與研究空間。高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）是IGFC/GT的關(guān)鍵部件，其性能對系統(tǒng)性能起決定性作用，但同時(shí)煤基合

2、成氣SOFC還存在很多不完善之處有待研究。因此，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)地對SOFC單電池進(jìn)行了性能研究與優(yōu)化。
　　設(shè)計(jì)搭建了研究多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)臺，制備了不同孔隙率的Ni/YSZ多孔陽極實(shí)驗(yàn)件，分別在以二氧化碳和氮?dú)鉃楣べ|(zhì)工況下，研究了不同電池運(yùn)行溫度、氣體流速、孔隙率工況下多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱性能，歸納出多孔介質(zhì)內(nèi)考慮溫度修正的有效導(dǎo)熱系數(shù)公式。實(shí)驗(yàn)表明，多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高略有上升，近似與孔隙率成

3、線性函數(shù)關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)條件下氣體流速對其影響非常小。同時(shí)，對于不同單組分氣體，溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律相似，但分別以二氧化碳、氮?dú)鉃楣べ|(zhì)時(shí)，兩者獲得有效導(dǎo)熱系數(shù)差別在3.2％以內(nèi)。
　　建立了煤基合成氣SOFC單電池全三維數(shù)值分析模型，包括了流動傳熱、電化學(xué)、電流場等模型，同時(shí)具有以下特點(diǎn)：以分析三維情況下的氣體擴(kuò)散過程來計(jì)算濃度過電勢，代替了簡單的濃度過電勢計(jì)算；考慮了包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、甲烷以及碳等化學(xué)組分在內(nèi)

4、的十多種化學(xué)反應(yīng)，能很好的描述單電池內(nèi)真實(shí)的化學(xué)環(huán)境；能有效預(yù)測碳沉積可能性及位置；采用溫度相關(guān)的氣體特性函數(shù)以及實(shí)驗(yàn)獲得的多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)有效動力學(xué)等模型。以公布的氫氣和天然氣為燃料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。
　　利用上述模型，研究了多個(gè)重要參數(shù)對SOFC性能的影響，并進(jìn)行了性能優(yōu)化，詳細(xì)結(jié)論如下：
　　1)分析了順流時(shí)單電池的性能，得到了單電池內(nèi)溫度、組分、電流及電勢等參數(shù)的詳細(xì)分

5、布。對電池內(nèi)流動傳熱、電化學(xué)等變化規(guī)律有清晰的認(rèn)識，由分析結(jié)果可見：單電池內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在陽極出口靠近三相界面處；活化損失是SOFC的主要損失，在平均電流密度為13000 Am-2工況下，占據(jù)了Nernst電動勢的59%，而歐姆損失僅占4%；電流密度在電解質(zhì)層呈波浪形分布，主要是由電池幾何結(jié)構(gòu)所決定。
　　2)在滿足電池內(nèi)溫度梯度限制的情況下，最優(yōu)空氣過量系數(shù)主要是由平均電流密度決定的，最優(yōu)空氣過量系數(shù)隨著平均電流密度的增加逐漸上

6、升，但上升幅度逐漸縮小，而隨著空氣過量系數(shù)的增加，輸出電壓及功率密度隨之降低。根據(jù)上述研究，給出最優(yōu)空氣過量系數(shù)與平均電流密度的關(guān)系式。
　　3)通過改變?nèi)剂瞎?yīng)量來研究電池調(diào)峰調(diào)谷的性能，由研究可見：增加燃料供應(yīng)量SOFC最大溫差降低，但變化幅度較小，且燃料流量對最大溫差的影響逐漸減弱；燃料利用率則隨著燃料流量的增加而降低；燃料的增加有助于提高輸出電壓，也增加了其可用的用電負(fù)荷范圍。
　　4)通過改變平均電流密度來研究負(fù)載

7、對電池性能的影響。由研究可見：隨著負(fù)載的增加，SOFC內(nèi)部最大溫差逐漸增加，但當(dāng)平均電流密度大于10000 Am-2時(shí)，最大溫差變化較為接近，而SOFC入口附近溫度梯度增加明顯；歐姆過電勢隨著平均電流密度的增加而增加，但是在計(jì)算工況范圍內(nèi)，最大的歐姆過電勢也未超過0.04V；給出相應(yīng)的性能曲線及最佳的工作范圍。
　　5)建立了碳沉積可能性的預(yù)測模型，研究了煤基合成氣中各組分不同含量工況下碳沉積的可能性和位置。由研究可見：一氧化碳含

8、量的增加會減小SOFC碳沉積的范圍，但是會增強(qiáng)局部碳沉積活性；較低的氫氣含量會導(dǎo)致SOFC碳沉積可能性增強(qiáng)；二氧化碳對碳沉積影響不明顯，較小的碳沉積活性主要集中在SOFC近入口附近；水蒸汽的增加對碳沉積有明顯的抑制作用，但考慮到對SOFC輸出電壓的影響，水蒸汽含量應(yīng)在合理范圍；甲烷存在會引起明顯的碳沉積，且隨著含量的增加而增加，因此，在以煤基合成氣為燃料時(shí)，應(yīng)盡量降低甲烷含量。
　　6)利用ANSYS軟件，分析了上述工況下單電池內(nèi)