简单混合固体氧化物燃料电池和燃汽轮机动力装置的建模外文翻译资料

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简单混合固体氧化物燃料电池和燃汽轮机动力装置的建模

S.H. Chan*, H.K. Ho, Y. Tian

摘 要

本文介绍了基于简单的天然气混合固体氧化物燃料电池燃气轮机（固体氧化物燃料电池-燃气轮机）发电系统的研究成果。该系统由内重整固体氧化物燃料电池堆、一个燃烧器、一个燃气轮机、两个压缩机和三个换热器组成。在强调操作压力和燃料流动速率对部件和整个系统的性能的影响之下进行两个案例研究。结果表明，内重整混合型固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统可以实现超过60％的电效率和超过80％的系统效率（包括用于热电联产的余热回收）。还发现，增加操作压力将提高系统效率，而增加燃料的流动速率（同时保持燃料利用率不变）导致系统效率降低。在后一种情况下，系统燃料消耗的增加相对较高，这消除了固体氧化物燃料电池堆和涡轮功率输出上升所带来的好处。

关键词：天然气; 混合系统; 燃气轮机; 固体氧化物燃料电池; 动力装置

1绪论

如今对高效低排放的发电系统的需求已经越来越重要了。燃料电池作为传统能量转换系统的替代品，它具有更好更有效地开发化石燃料的前景。各种类型的燃料电池代表着各种不同的技术，迄今为止没有明确结果表明哪种才是最好的^[1]。然而，高温固体氧化物燃料电池似乎更适合用于碳氢燃料经济中的发电。此外由于协同效应，混合型固体氧化物燃料电池和燃气轮机技术被认为是相比于许多其他技术而言更为优越的发电技术。预测结果表明，把多级、中间冷却、再热再生的预压式固体氧化物燃料电池整合到更复杂的燃机循环里，将产生70％或更高的电效率（每燃料低热值净交流电）^[2-4]。而对于由先进微型涡轮机和额定功率为250kW的固体氧化物燃料电池堆构成的小型发电系统来说，预计将会有65％的电效率（每燃料低热值净交流电）^[5]。其他先进系统研究均有详细报道，研究包括内部重整固体氧化物燃料电池-燃气轮机联合循环的热经济性评估并考虑了几种技术性的约束^[6]。

在本文的研究中，关注点集中在一个简单的天然气混合型固体氧化物燃料电池-燃气轮机发电系统模型的开发上。该模型基于热力学的第一定律。内重整固体氧化物燃料电池堆是系统的核心，它与其他系统组件相互联系并促使组件之间构成复杂的相互影响关系。因此，考虑所有与性能相关的参数作为热力学状态的函数来把燃料电池的交流电流密度和电池部件的电阻率与固体氧化物燃料电池堆的温度相联系是有作用的。本文采用通用数学软件工具MATLAB来开发仿真代码。

2系统配置及其描述

混合式固体氧化物燃料电池-燃气轮机发电系统的配置如图3.1所示。该系统由内重整固体氧化物燃料电池堆、一个燃烧器、一个燃气轮机和动力涡轮机、两个压缩机和三个换热器组成。该系统也考虑了具有典型的效率为96.5％的逆变器（未表示出）。由燃气轮机产生的机械功用于驱动两个压缩机，并且可用于发电的唯一机械功率来自于动力涡轮机。

压缩燃料和空气在进入内重整固体氧化物燃料电池堆前先在它们各自的换热器里进行预热。天然气和氧气分别通过阳极和阴极室被导入。天然气在阳极室中经过重整并产生富含氢的产物。电化学反应发生在两个电极的三相边界处，并产生经过电解质的离子流和跨电极的电子流。电功（能量）也因此与发热一起产生。产生的热量一部分地消散到环境中，一部分用于重整天然气，而另一部分则用于加热原料和废气。内重整固体氧化物燃料电池堆的高温废气，即未利用的重整天然气和贫化空气被引导到燃烧室里，在那里剩余燃料（氢，甲烷，一氧化碳）与过量空气反应。固体氧化物燃料电池堆出口处的剩余燃料的量由内重整固体氧化物燃料电池的操作条件所确定。

燃烧的燃料—空气混合物接着在燃气轮机内流动，由此产生机械功率。它所产生的动力由压缩机所消耗以使燃料和空气达到它们所需的压力。随后通过动力涡轮机的膨胀产生用于产生电功率的附加机械功率。从动力涡轮机排出的废气通过一系列三个换热器，在这些换热器中预热燃料和空气。换热器3用于类似于在热电联产设备中的普通加热。例如，它在工业进程中将液体水从25℃加热到90℃。本文的字母含义如表2.1、表2.2和表2.3所示。

3系统建模

3.1内部重整器模型

表2.1 字母命名表

对于把天然气作为燃料而言，混合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统需要内部或外部重整。为了降低外部重整器的费用并为固体氧化物燃料电池堆提供额外的“冷却”，使用内部重整器是一种更好的选择。

重整的过程需要蒸汽，并且可以通过使用来自固体氧化物燃料电池堆的废热蒸发给水来获得蒸汽。固体氧化物燃料电池堆内重整的反应机理如3.1式、3.2式和3.3式所示。

表2.2 希腊字母含义表

表2.3 下标字母含义表

（3.1）

（3.2）

（3.3）

其中，x，y和z表示反应中各自的摩尔比率。重整和转换过程的平衡常数是与温度相关的，可以按3.4式算出。

（3.4）

其中，常数A，B，C，D和E在表3.1中列出^[6,7]。

假设重整和转移反应总是处于平衡，平衡常数也可以从反应物和产物的分压中计算得到，即：

（3.5）

（3.6）

表3.1 重整和转移过程的平衡常数值

图3.1 复燃内部重整混合型固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统示意图

假设x，y和z分别是参与反应的、和的摩尔流速，则：

（3.7）

（3.8）

（3.9）

其中，上标i是指入口，指的是燃料利用率，指总入口摩尔流量（或）。

当温度已知时，平衡常数可由式3.4中求得，未知数x，y和z可通过在给定的燃料利用率和入口流量条件下求解联立方程3.7-3.9求得。重整和转移反应都是吸热的; 每个反应所需的热量可以分别由式3.10和式3.11中求得。

（3.10）

（3.11）

假设从燃料电池堆吸热过程中产生的热量为，用于从电池堆里转移的总热量为：

（3.12）

3.2 固体氧化物燃料电池模型

虽然固体氧化物燃料电池可以定制以适应不同的燃料电池设计和原料类型，但这项研究所开发的燃料电池模型是基于管状设计并由天然气提供燃料的。固体氧化物燃料电池的几何和性能相关数据是建立在西门子和西屋公司所开发的设计的基础上的[8]。为了简化研究，该模型侧重于热力学方面和电池运作的相关电化学过程。将所有单元作单一处理，可以估计电池堆的性能。因此，知道电池组消耗的燃料量则可以计算电池组产生的总电流;而电池电压可以由电池堆温度和燃料利用率的数据来确定。通过已知的电池电压和总电流，可以计算电池堆的电功率。

对于已知反应物和产物的分压的固体氧化物燃料电池中的的反应，理想的可逆电池电势可以从能斯特方程中计算得到。

（3.13）

但是有几种因素会导致运作中的燃料电池发生不可逆的损失。这些损失通常被称为极化，超电势或过电压（），主要由这三种来源产生的：一是活化过电位（）；二是欧姆过电位（）；三是集中过电位（）。因此，运作中的燃料电池实际电位将由这种形式表示：

（3.14）

当中，

（3.15）

（3.16）

（3.17）

其中，beta;是转移系数;是表观交流电流密度;是总电池电阻，其包括电子和离子电阻;和是对所用材料特定的常数;是各个电池部件的厚度;是极限电流密度。

3.3固体氧化物燃料电池堆模型

固体氧化物燃料电池堆是由一系列多个单体电池组成，以便增加电压输出并因此增加实际应用的电功率。由于固体氧化物燃料电池堆与许多其他系统部件接合，根据系统配置的不同，其性能将与其所连接的组件的热力学状态密切相关。

为了计算电池堆温度，应确定三个热源/汇点, 即：（1）固体氧化物燃料电池堆中的电化学反应所产生的热;（2）由内部重整消耗的热量;（3）在环境中损失的热量。

电化学反应产生的热量有两个来源。一个是可逆反应，而另一个是

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