固體氧化物燃料電池（SOFC）HOT-BOX設(shè)計與開發(fā)

郭樹生

摘 要：自然界絕大多數(shù)流動和傳熱問題均可用數(shù)學(xué)公式來描述，方程是基于普遍的守恒定律得出，包括質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒。然而，這些方程組均為偏微分方程，僅在理論上存在唯一解。實際工程問題，計算域往往十分復(fù)雜，是不可能得到精確的解析解。近幾十年來，逐步盛行的數(shù)值計算方法，借助計算機(jī)技術(shù)，使解決實際工程問題成為可能。本文借助計算流體力學(xué)（CFD）軟件Ansys Fluent，利用數(shù)值計算技術(shù)，通過計算機(jī)數(shù)值模擬，對HOT-BOX進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。

關(guān)鍵詞：CFD;有限體積法;熱箱

0 引言

SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）是一種實現(xiàn)燃料化學(xué)能和電能兩種能量載體間高效轉(zhuǎn)換的技術(shù)。常規(guī)發(fā)電技術(shù)因受卡諾循環(huán)限制，發(fā)電效率一般為30-40%，SOFC發(fā)電效率能達(dá)到60%，顯著提高能源利用率。同時，SOFC又是一種清潔、低碳的發(fā)電技術(shù)，氮氧化物和煙塵排放接近于零，契合國際《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》控制溫室氣體排放的環(huán)境公約。另外，SOFC的燃料適應(yīng)性廣，適用于甲烷、丙烷、氫氣、一氧化碳、人工煤氣、沼氣、乙醇等常規(guī)燃?xì)?，借助現(xiàn)有化工、市政行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，容易實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。最后，SOFC發(fā)電技術(shù)應(yīng)用范圍廣，在便攜式電源、分布式熱電聯(lián)供、高性能動力電源和大型發(fā)電站均可實現(xiàn)應(yīng)用。

1 SOFC發(fā)電技術(shù)簡介

SOFC是一種電化學(xué)反應(yīng)技術(shù)。在陽極，燃料化學(xué)鍵被破壞，化學(xué)分子變成游離原子，電子在電極電位的驅(qū)動下，通過外電路流向陰極，產(chǎn)生電流。在陰極，氧氣共價鍵被破壞，急需俘獲從陽極過來的2個電子變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在電位差和濃度差雙重驅(qū)動下，通過中間電解（YSZ），到達(dá)陽極和2個質(zhì)子結(jié)合，生成1個水分子。

日本是SOFC產(chǎn)業(yè)化最成功國家，我國起步較晚，當(dāng)前尚未形成SOFC-CHP應(yīng)用產(chǎn)品，市場還處于真空狀態(tài)。

1999年，日本政府設(shè)立“新日光計劃”，燃料電池作為新一代發(fā)電技術(shù)進(jìn)入公眾視野。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）委托日本燃?xì)鈪f(xié)會研制1kW質(zhì)子交換膜燃料電池（PEFC）型熱電聯(lián)供（CHP）樣機(jī)（PEFC-CHP）。隨后，由松下電器、三洋電機(jī)和松下電工試制的3個1kW系統(tǒng)分別安裝在東京、大阪和東邦3個煤氣公司，并與實驗住宅相配合進(jìn)行測試。2000～2004年，NEDO進(jìn)一步加快推進(jìn)PEFC-CHP技術(shù)商業(yè)化，吸引荏原-Ballard、三洋電機(jī)、東芝、豐田、富士電機(jī)、松下電器、松下電工、三井物產(chǎn)、三菱重工和三菱電機(jī)等單位投入燃料電池研發(fā)。2004年，松下、東芝等公司陸續(xù)推出了自主研發(fā)的PEFC-CHP樣機(jī)，功率均在1kW左右。東京燃?xì)夤驹?005年2月采用租賃方式向200個日本家庭提供PEFC-CHP系統(tǒng)，標(biāo)志著日本家用燃料電池進(jìn)入商業(yè)化試運行階段。同期，具有更好性能的固體氧化物燃料電池（SOFC）的研發(fā)逐步增多。在SOFC型家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供（CHP）系統(tǒng)（SOFC-CHP）研發(fā)方面，吉坤能源公司研制的SOFC-CHP型家用燃料電池系統(tǒng)2011年正式進(jìn)入市場，率先實現(xiàn)了SOFC的商業(yè)化運行。2012年3月，日本大阪燃?xì)夤?、愛信精機(jī)公司和京瓷公司合作推出SOFC-CHP系統(tǒng)有效解決了電池堆耐久性問題，產(chǎn)品于同年4月份上市。2016年4月，大阪燃?xì)夤就瞥隽诵乱淮鶶OFC型家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。

2009年，PEFC-CHP全面進(jìn)入市場。2011年，SOFC-CHP全面進(jìn)入市場。截止2017年4月，兩種產(chǎn)品已累計銷售20萬套，其中PEFC-CHP占90%，2015年售價每套136萬日元，約合人民幣8萬元;SOFC-CHP占有10%，2015年售價175萬日元，約合人民幣10.5萬元。預(yù)計2020年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累計銷售140萬套，市場容量達(dá)千億元人民幣量級。2030年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累計銷售530萬套，市場容量達(dá)五千億元人民幣量級。

2 問題來源

SOFC作為一種高度集成化的發(fā)電產(chǎn)品，各種零部件要壓縮布置。SOFC電堆溫度高達(dá)800℃，緊湊性布置必然要考慮SOFC電堆對周圍部件和元器件熱威脅問題，特別是PLC控制系統(tǒng)、電氣元器件、電纜和儀表線等，這些電氣化部件難以耐受超過40℃的高溫。因此，在考慮產(chǎn)品高度集成化同時，分析機(jī)柜內(nèi)散熱問題，通過合理隔熱設(shè)計、分區(qū)布置等，確保非機(jī)械器件的熱安全顯得尤為必要。

本文依然使用CFD技術(shù)，但采用ANSYS Icepak專業(yè)散熱分析軟件，對原始模型進(jìn)行適當(dāng)簡化和假設(shè)，很好地解決了該問題。

3 計算模型創(chuàng)建

3.1 物理模型和假設(shè)

根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品布置方案，總體分布為三層結(jié)構(gòu)：

第一層為熱區(qū)，主要布置電堆熱箱、高溫?fù)Q熱器、重整燃燒一體器，和高溫管道;

中間層為過渡區(qū)，主要布置蠕動泵、空氣鼓風(fēng)機(jī)和低溫?zé)峤粨Q器、低溫管道等;

最頂層為冷區(qū)，主要布置PLC控制系統(tǒng)。

關(guān)于管道熱源假設(shè)：考慮高、低溫管道均設(shè)置絕熱保溫材料，相比高溫設(shè)備，其傳熱面積較小，對機(jī)柜內(nèi)受限空間的熱力場和流體場影響較小，可通過設(shè)備換熱給予懲罰，包羅其影響。從另外一個角度考慮，簡化管道傳熱計算，能夠大大降低CFD計算模型的網(wǎng)格數(shù)，提高計算收斂性。出于上述兩方面原因考慮，本報告不考慮機(jī)柜內(nèi)管道的散熱分析。

關(guān)于設(shè)備熱源假設(shè)：SOFC電堆外表面溫度取800℃（第1類邊界條件），考慮其對周圍設(shè)備的輻射換熱;其他高溫設(shè)備設(shè)計上要求考慮保溫，限制設(shè)備外表面溫度不超過50℃，因此，重整燃料一體器、高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器等外表面均保守取50℃。

關(guān)于機(jī)柜柜體假設(shè)：柜體為2mm厚的金屬材料，實際上是存在一定換熱能力，為獲得保守的散熱結(jié)果，本報告認(rèn)為“柜體非通風(fēng)區(qū)域，均為絕熱邊界條件，即第2類邊界條件”。

關(guān)于柜體通風(fēng)假設(shè)：采用ANSYS Icepak Grille模塊Perforated thin vent模擬，開孔率取0.45，其中阻力系數(shù)（Resistance type）按照下式計算：

式中，F(xiàn)為開孔率。

3.2 計算模型和說明

根據(jù)對物理模型的簡化和假設(shè)，采用ANSYS Icepak專業(yè)的熱分析軟件，進(jìn)行建模，獲得機(jī)柜內(nèi)部計算域和計算模型為：

4 求解器與殘差設(shè)置

4.1 自然對流

機(jī)柜內(nèi)散熱無風(fēng)機(jī)、無強(qiáng)制對流。因此，存在自然對流情況，在求解器設(shè)置中，啟用自然對流控制方程：

式中，ρg代表浮力項，因此必須要考慮重力。

4.2 湍流方程

本報告湍流方程采用零方模型，但對求解器中其他湍流模型也予以介紹：

Fluent中湍流模擬方法包括Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、SST k-ω模型、RSM（Reynolds Stress Model）模型、LES（Large Eddy Simulation）模型等。本文中主要運用到標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型，它們是Reynolds時均方程法中的湍流粘性系數(shù)法，把湍流應(yīng)力表達(dá)成湍流粘性系數(shù)的函數(shù)。

4.3 輻射換熱

本報告熱模型相對較復(fù)雜，存在大量的輻射換熱行為，如果選擇S2S輻射換熱模型或者光線追蹤法計算輻射換熱角系數(shù)，那么要求計算機(jī)有較大內(nèi)存。本報告采用單位配置的員工筆記本，內(nèi)存為8G，不宜采用S2S輻射換熱模型或者光線追蹤法，宜采用Discrete ordinates輻射模型。

4.4 殘差設(shè)置

本報告連續(xù)性方程殘差設(shè)置為0.001，能量方程殘差設(shè)置為1e-7，Discrete ordinates輻射換熱方程設(shè)置為1e-6，Joule heating 設(shè)置為1e-7。迭代步數(shù)為500步，經(jīng)計算，本算例表現(xiàn)出良好的收斂性，約200步時，已全部收斂。

5 計算結(jié)果與后處理

最高溫度為800℃，為電堆表面溫度。最低溫度為20℃，為環(huán)境溫度。機(jī)柜內(nèi)部各空間溫度大部接近20℃，這說明輻射換熱和自然對流對柜體內(nèi)的影響可控。選擇電堆、電堆熱箱、重整換熱一體器和高低溫?fù)Q熱器，高溫設(shè)備表面溫度50～100℃。對機(jī)柜切面進(jìn)行分析，電堆溫度最高800℃，100mm絕熱材料致使電堆熱箱表面溫度低于100℃，典型取樣溫度為53.95℃。PLC控制系統(tǒng)冷區(qū)溫度略高于環(huán)境溫度20℃，因為計算模型考慮其絕熱封閉，少數(shù)熱量從導(dǎo)熱板進(jìn)入封閉空間，致使溫度略增4-5℃，但仍然低于電氣元件的耐受溫度（40℃）。

計算表明：隔熱板的設(shè)計能夠保護(hù)低溫區(qū)免收熱空氣襲擾。

在機(jī)柜底部平面放置500個失重粒子，觀察柜體內(nèi)熱空氣流動情況，計算結(jié)果表明：空氣流動幾乎圍繞電堆熱箱，說明在熱箱附近有較強(qiáng)自然對流。此外，隔熱板上部無空氣流動，說明隔熱板抵擋住熱量傳遞，PLC封閉空間內(nèi)受熱非常均勻。到絕大部分溫度分布于電堆熱箱、換熱器和重整器表面，絕熱效果良好。

6 結(jié)論

通過計算模擬，采用10mm厚度普通硅酸鋁纖維隔熱板，能夠有效地保證PLC機(jī)構(gòu)冷區(qū)絕熱。在實際操作中，通過PLC機(jī)柜增加散熱孔低成本方式，更加利于受限空間熱量擴(kuò)散，強(qiáng)化該結(jié)論。有關(guān)儀表和電纜接線沿著四周布置，能夠有效地保證自身安全性。此外，機(jī)柜內(nèi)部大空間溫度多集中于20～30℃，不會影響儀表安全使用。

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