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《重庆大学》 2015年
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SOFC/GT耦合发电系统中燃料电池阴极气流管理的半实物仿真研究

周娜娜  
【摘要】:固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机的耦合系统(SOFC/GT)能够进一步提高能源转化效率、减少污染排放、延长燃料电池寿命,是推动固体氧化物燃料电池产业化的有效措施,已成为固体氧化物燃料电池领域新的研究热点和前沿方向。固体氧化物燃料电池的工作温度较高(约800~1 000℃),电池内部的热量管理和温度控制已成为影响其性能和寿命的关键因素之一。在顶层循环SOFC/GT耦合系统中,这一问题显得更加突出。外部运行条件的改变,如变负荷运行,会直接影响到燃料电池内部的电化学反应过程,进而引起热量变化,使得燃料电池温度出现扰动。此外,固体氧化物燃料电池的排气中的能量变化还会对处于下游的燃气轮机系统造成巨大影响,进而影响燃料电池的阴极入口条件,从而引发更多的连续变化。已有研究表明固体氧化物燃料电池阴极入口气体流量对于燃料电池内部热量管理和温度控制具有重要作用。但是现有研究多局限于燃料电池单系统,很少涉及SOFC/GT耦合系统,且多为数值模拟研究,研究结果的正确性和有效性有待检验,尚不足以为SOFC/GT耦合系统的设计与运行提供理论依据。针对现有研究不足,本文从工程热物理学科角度出发,以SOFC/GT耦合系统为研究对象,利用美国能源部国家能源技术实验室的SOFC/GT半实物仿真系统,研究了固体氧化物燃料电池阴极入口空气流量变化对SOFC/GT耦合系统的动态影响,提出了一种可用于SOFC/GT耦合系统中燃料电池内部热量管理的有效方法。本文的研究内容主要包括:①研究燃料电池外部负荷电流变化对SOFC/GT耦合系统的动态影响,分析了燃料电池子系统内部的温度和热量管理的重要性,揭示了燃料电池子系统和燃气轮机子系统的耦合关系;②利用SOFC/GT耦合系统中的设计旁路实现燃料电池阴极入口气流的瞬变,研究耦合系统对于该扰动的动态响应特性,重点分析了燃料电池内部温度、电流密度的变化以及燃气轮机系统的动态响应;③通过调节压缩机排气旁通阀以改变SOFC/GT耦合系统中的空气流量,研究燃料电池子系统和燃气轮机子系统的动态响应。本文主要研究成果如下:1)燃料电池子系统外部负荷变化会引起燃料电池内部的电化学反应变化,进而改变燃料电池内部的温度分布。而在SOFC/GT耦合系统中,燃料电池子系统外部的负荷变化对燃气轮机子系统产生了较大影响,负荷电流降低30 A造成燃气轮机转速上升2 000 rpm,而燃料电池子系统外部的负荷电流增加15 A以上会导致耦合系统保护停机。2)固体氧化物燃料电池阴极入口空气流量的变化会对燃料电池内部的气流温度和固体温度产生较大的影响,使得出口气流焓值发生迅速变化。当燃料电池阴极入口气体流量变化(增大或减小)30%时,电池内部的电化学反应过程未发生明显改变,但阴极流道内的气体温度和燃料电池固体材料温度均发生了较大变化,使得燃料电池内部的热耗散在5秒钟之内改变了55 k W。同时,燃料电池阴极入口气体流量变化对燃气轮机的转速影响显著。燃料电池阴极入口气体流量变化(增大或减小)30%,导致燃气轮机转速在5秒内变化了(升高或降低)800 rpm,这会进一步影响到燃料电池阴极入口气体流量。燃料电池阴极入口气体流量的有效管理有望成为应对SOFC/GT耦合系统中燃料电池子系统外部负荷电流改变的控制方法。3)SOFC/GT耦合系统中燃料电池具有较大的热容,会将其内部因运行参数变化而引起的影响放大,进而影响燃气轮机子系统。因此燃料电池子系统的电池负荷、阳极燃料、阴极气体参数等运行参数的变化,不仅会影响到燃料电池子系统,同时对于燃气轮机也会产生具有较大影响,应当引起足够的重视。4)SOFC/GT耦合系统中,压缩机排气旁通气流的改变对燃气轮机转速影响非常显著。旁通气流增大4%,导致燃气轮机转速在20秒内降低了1 500 rpm。同时使得固体氧化物燃料电池阴极入口气体流量减小了约7%。这一变化没有造成固体氧化物燃料电池内部明显的电化学反应变化,但是使得阴极气流在燃料电池内部的换热发生变化,使得出口气体焓值发生改变,并进一步影响到燃气轮机子系统的运行。因此,SOFC/GT耦合系统中,压缩机排气旁通气流是控制燃气轮机转速非常有效的变量之一,它可以迅速显著的调节燃气轮机转速,同时又不会明显影响到固体氧化物燃料电池性能。5)针对SOFC/GT耦合系统中可能同时影响燃料电池内部热量变化和燃气轮机转速的扰动,如燃料电池外部负荷的改变,提出了一种可能的解决办法,即同时控制燃料电池阴极入口气流量和压缩机排气旁通气流量。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM911.4

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