固體氧化物燃料電池尾氣在多孔介質(zhì)中的燃燒特性

張靜思，陳志光，詹心怡，郭雙乾，秦朝葵

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

固體氧化物燃料電池（SOFC）是繼磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池之后能量轉(zhuǎn)換效率最高的第三代燃料電池。作為目前最有前景的能源裝置之一，SOFC的開發(fā)和商業(yè)化對(duì)解決節(jié)能環(huán)保問題有著重要意義［1-2］。SOFC操作溫度一般在600～1 000℃，其陰極、陽極尾氣中含有較多余熱，同時(shí)含有一部分可燃組分（H2、CH4、CO）［3］，若進(jìn)一步燃燒SOFC尾氣，充分回收尾氣中的化學(xué)能和熱能，則可大大提高SOFC的能源利用效率。

SOFC系統(tǒng)包括燃料重整器、SOFC電堆、熱利用回收換熱器、后燃器等。目前燃料電池工作特性研究中對(duì)SOFC電堆和燃料重整器的研究較多，而對(duì)后燃器的研究較少［4-6］。SOFC尾氣中可燃組分少，并且在不同運(yùn)行階段組分差異較大［7-9］，為保證低濃度燃?xì)庠诮M分波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定燃燒，選擇多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)行SOFC尾氣的燃燒。多孔介質(zhì)本身具有較強(qiáng)的蓄熱性，不僅能提供燃燒場(chǎng)所，還作為換熱器實(shí)現(xiàn)熱量交換。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)以燃料適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于超低熱值氣體燃燒領(lǐng)域［10-12］。

設(shè)計(jì)了SOFC高溫模擬尾氣配制比例并搭建了燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，分析無背壓工況下不同流量比、不同氣流速度時(shí)SOFC模擬尾氣的燃燒特性，探討不同電堆利用率下陰極和陽極模擬尾氣的穩(wěn)定燃燒極限。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

基于以天然氣為燃料的1 kW SOFC電堆產(chǎn)生的尾氣量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過配置不同組分和溫度的混合氣體來模擬SOFC尾氣，研究其在雙層多孔介質(zhì)燃燒器中的燃燒特性。SOFC尾氣中陽極氣體主要包括CO、CO2、H2和水蒸氣，并且水蒸氣占據(jù)絕大部分。不同電堆燃料利用率（Uf）下尾氣的組分會(huì)發(fā)生變化［13］，如表1所示。陰極氣體與空氣組成類似。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中陽極模擬尾氣由連續(xù)自動(dòng)配氣裝置提供，通過電腦控制流量計(jì)以調(diào)節(jié)氣體流量，模擬不同電堆工況；實(shí)驗(yàn)中水蒸氣由蒸汽發(fā)生器提供，功率為9 kW，將產(chǎn)生的水蒸氣通入引射器引射其余組分，得到陽極模擬尾氣；由容積式空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣來模擬陰極尾氣。利用2套管道式加熱設(shè)備分別對(duì)所配置的陰極、陽極模擬尾氣加熱來實(shí)現(xiàn)SOFC尾氣的高溫。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

表1 1 k W SOFC陽極尾氣各組分體積流量［5，13］Tab.1 Volume flow of components for 1 k W SOFC’s anode exhaust gas[5,13]

SOFC尾氣燃燒系統(tǒng)由供氣、加熱、燃燒和測(cè)量4個(gè)部分組成。燃燒裝置包括氣體預(yù)混段和燃燒器主體段。氣體預(yù)混段與燃燒器主體段之間用金屬纖維網(wǎng)隔開，金屬纖維網(wǎng)起防止回火的作用。燃燒器主體內(nèi)放置有2層氧化鋯（PSZ）的泡沫陶瓷，上游層孔隙率為40 PPI（每英寸長度上的孔洞數(shù)），下游層孔隙率為10 PPI，2層高度均為20 mm。為減少燃燒器壁面的散熱損失，在燃燒器外層設(shè)置了厚度為4 mm的保溫層。雙層多孔介質(zhì)布置如圖2所示。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)及雙層多孔介質(zhì)布置Fig.2 Structure of the burner and layout of doublelayer porous medium

燃燒器沿徑向布置5個(gè)k型熱電偶，測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4和P5分別測(cè)量SOFC模擬混合尾氣溫度、多孔介質(zhì)上游溫度、多孔介質(zhì)中部溫度、多孔介質(zhì)下游溫度和燃燒器出口煙氣溫度。水蒸氣由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生并維持在150℃，通過孔板流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。氫氣流量由連續(xù)自動(dòng)配氣裝置的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，壓縮空氣流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。所有測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)采集模塊（研華科技）采集并傳輸至電腦終端，采集頻率為1 Hz。

1.2 實(shí)驗(yàn)計(jì)量及控制參數(shù)

陰極和陽極模擬尾氣的混合氣體在當(dāng)前壓力和溫度下的流速計(jì)算公式如下所示：

式中：qA為陽極模擬尾氣體積流量，m3·s-1；qC為陰極模擬尾氣體積流量，m3·s-1；A0為燃燒器的截面積；ε為多孔介質(zhì)孔隙率。

SOFC陰極和陽極模擬尾氣的壓力和溫度變化較大，采用氣體摩爾流量對(duì)氣體的含量進(jìn)行約定。氣體的體積流量和摩爾流量的轉(zhuǎn)換公式如下所示：

式中：V n為SOFC陰極或陽極模擬尾氣的摩爾流量，mol·min-1；M為SOFC陰極或陽極模擬尾氣的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；qn為SOFC陰極或陽極模擬尾氣的體積流量，L·min-1；ρ為氣體在當(dāng)前溫度、壓力下的密度，g·L-1。

SOFC陰極和陽極模擬尾氣的摩爾流量比

式中：VC為SOFC陰極模擬尾氣的摩爾流量，mol·min-1；VA為SOFC陽極模擬尾氣的摩爾流量，mol·min-1。

SOFC陽極模擬尾氣中水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)

式中：Vv為SOFC陽極模擬尾氣中水蒸氣摩爾流量，mol·min-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SOFC不同工作階段的模擬尾氣燃燒情況

通入不同SOFC電堆工作狀態(tài)下的陰極和陽極模擬尾氣，比較不同工況下的燃燒狀態(tài)、火焰面移動(dòng)和燃燒溫度。記錄燃燒時(shí)燃燒器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)具體數(shù)據(jù)，通過最高溫度變化判定燃燒過程火焰面的具體位置，對(duì)燃燒器燃燒狀態(tài)進(jìn)行分析。不同工作階段的SOFC模擬尾氣在雙層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒時(shí)，所測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況如圖3所示。

圖3 SOFC啟動(dòng)階段和穩(wěn)定階段尾氣燃燒溫度Fig.3 Combustion temperature of exhaust gas at SOFC’s initiating stage and stable stage

燃料電池從啟動(dòng)到正常運(yùn)行需經(jīng)過啟動(dòng)階段、過渡階段和穩(wěn)定階段，尾氣成分也隨之變化。圖3a為電堆啟動(dòng)階段燃燒器內(nèi)溫度變化，此過程中燃料利用率很低。陽極模擬尾氣的主要成分為天然氣，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置天然氣體積流量為4.5 L·min-1，陰極模擬尾氣體積流量為25.0 L·min-1，對(duì)應(yīng)的一次空氣系數(shù)為0.58。由圖3a可知，點(diǎn)燃后燃燒器內(nèi)最高溫度從多孔介質(zhì)下游逐步移動(dòng)到多孔介質(zhì)上游混合氣區(qū)域。天然氣在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒時(shí)火焰面移動(dòng)速度快，140 s左右達(dá)到穩(wěn)定燃燒，最高燃燒溫度為1 084℃，但穩(wěn)定燃燒后火焰面位于燃燒器前并開始回火。

在過渡階段，隨電堆燃料利用率變化，氫氣含量有所不同，尾氣中可燃組分逐漸由甲烷變?yōu)闅錃?，天然氣含量逐漸減少，氫氣、水蒸氣等含量逐漸增加，火焰面逐漸向下游移動(dòng)且燃燒溫度降低。圖3b為電堆穩(wěn)定階段燃燒器內(nèi)溫度變化，電堆燃料利用率穩(wěn)定在0.6左右，此時(shí)陽極模擬尾氣主要由氫氣和水蒸氣組成，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)在20%左右［10］?；旌蠚怏w熱值低，火焰面移動(dòng)速度慢，1 560 s左右才能在多孔介質(zhì)燃燒器上游實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，最高燃燒溫度為760℃左右。所設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)燃燒器能使不同階段的陽極模擬尾氣穩(wěn)定燃燒，不同階段SOFC尾氣在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒時(shí)煙氣溫度變化不大，燃燒穩(wěn)定后煙氣溫度維持在500～550℃。

2.2 不同尾氣組分對(duì)燃燒的影響

2.2.1 陰極、陽極模擬尾氣的摩爾流量比

保持燃料電堆利用率為0.6時(shí)的陽極模擬尾氣成分，改變陰極、陽極模擬尾氣的摩爾流量比λ進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。圖4為多孔介質(zhì)燃燒室溫度受λ的影響結(jié)果。當(dāng)λ=0.7或更小時(shí)，多孔介質(zhì)內(nèi)無法觀測(cè)到火焰，火焰浮于燃燒器出口處，并有向外蔓延的趨勢(shì)。這是由于多孔介質(zhì)內(nèi)部一次空氣量太小，導(dǎo)致SOFC陽極氣體燃燒不完全，火焰向外延伸。隨著陰極模擬尾氣流量不斷上升，λ=1.9時(shí)燃燒器內(nèi)的峰值溫度約為700℃，此時(shí)燃燒狀態(tài)最佳。當(dāng)陰極模擬氣體摩爾流量繼續(xù)增大時(shí)，多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)火焰面逐漸向出口方向移動(dòng)。當(dāng)λ=2.3時(shí)，多孔介質(zhì)表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的火焰，說明發(fā)生了脫火情況。

圖4 λ對(duì)燃燒室溫度的影響Fig.4 Effect ofλon combustion chamber temperature

2.2.2 氫氣含量

不同燃料電堆利用率下，尾氣中可燃組分含量會(huì)有較大變化。由于氫氣為尾氣中含量最高的可燃性氣體，因此研究了陰極氣體量不變時(shí)氫氣含量變化對(duì)燃燒情況的影響。保持陰極氣體摩爾流量為4.00 mol·min-1，陽極模擬尾氣中水蒸氣摩爾流量為1.32 mol·min-1，氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)依次為8.3%、12.1%、20.5%、28.8%（分別對(duì)應(yīng)SOFC電堆燃料利用率0.6、0.7、0.8、0.9的工況）?；旌衔矚庵袣錃獾哪柗?jǐn)?shù)與尾氣穩(wěn)定燃燒時(shí)火焰溫度的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)混合尾氣中氫氣摩爾分?jǐn)?shù)減少時(shí)，火焰溫度呈下降趨勢(shì)、火焰面向下游移動(dòng)，這是混合尾氣中可燃組分減少而導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)降至8.3%時(shí)，燃燒室內(nèi)火焰熄滅、燃燒停止，溫度急劇下降。

圖5 不同氫氣摩爾分?jǐn)?shù)下燃燒器穩(wěn)定燃燒時(shí)溫度變化Fig.5 Variation of burner’s stable combustion temperature with different mole fractions of hydrogen

2.2.3 水蒸氣含量

SOFC陽極模擬尾氣中存在大量的水蒸氣，極大地影響了混合尾氣中可燃組分的爆炸極限，因此探究陽極模擬尾氣中水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)φ對(duì)燃燒情況的影響。保持陰極模擬尾氣的體積流量為2 m3·h-1，選取λ=2，φ從75%升高至85%時(shí)，燃燒器內(nèi)溫度變化如圖6所示。

圖6 不同水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)下燃燒器穩(wěn)定燃燒溫度變化Fig.6 Variation of burner’s stable combustion temperature with different mole fractions of vapor

當(dāng)φ=75%時(shí)，多孔介質(zhì)中部溫度最高并在一段時(shí)間內(nèi)保持825℃左右不變，說明此時(shí)燃燒反應(yīng)區(qū)位于多孔介質(zhì)中部。升至φ=85%后，觀測(cè)到多孔介質(zhì)中部溫度大幅度下降，多孔介質(zhì)下游溫度、燃燒器出口煙氣溫度相繼上升，最后燃燒器出口處煙氣溫度為5個(gè)測(cè)點(diǎn)中最高的溫度，并穩(wěn)定在523.1℃左右。這說明水蒸氣含量上升后，火焰面向下游移動(dòng)且溫度下降。

2.3 入口尾氣流速對(duì)燃燒的影響

當(dāng)SOFC陰極、陽極模擬尾氣的組分和比例不變時(shí)，混合尾氣的氣流速度也會(huì)對(duì)燃燒情況造成影響，因此探究燃燒器入口尾氣流速對(duì)燃燒的影響。陽極模擬尾氣保持1 kW的SOFC電堆在Uf=0.6時(shí)的成分配比，選取λ=2。不同入口尾氣流速vmix下燃燒器內(nèi)溫度變化如圖7所示。

圖7 入口尾氣流速對(duì)燃燒器內(nèi)溫度影響Fig.7 Effect of inlet exhaust gas velocity on temperature in the burner

混合尾氣的入口流速為0.24 m·s-1時(shí)，在多孔介質(zhì)下游處用時(shí)120 s尾氣達(dá)到穩(wěn)定燃燒，火焰溫度保持在630℃左右；隨燃燒進(jìn)行火焰面開始向中部移動(dòng)，燃燒器中部溫度一直在升高，在360 s左右時(shí)中部溫度超過下游溫度，但中下游溫度相差較小，燃燒反應(yīng)區(qū)位于多孔介質(zhì)中下游，穩(wěn)定燃燒時(shí)火焰溫度可達(dá)680℃。

入口流速至0.20 m·s-1時(shí)，中部溫度先下降后上升，上下游溫度受影響較小，在840 s后上游溫度略上升，下游溫度略下降，火焰面朝著上游方向移動(dòng)，在多孔介質(zhì)中部實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，最高溫度達(dá)到800℃。受火孔熱強(qiáng)度和蓄熱預(yù)熱作用的綜合影響，相較于0.24 m·s-1工況，多孔介質(zhì)基體蓄積熱量增多，流速的降低增加氣體與固體的接觸時(shí)間，起到預(yù)熱增強(qiáng)效果，燃燒器中部最高溫度較高。

繼續(xù)降低入口流速至0.16 m·s-1，多孔介質(zhì)上游溫度急劇上升至620℃左右，僅次于中部溫度的680℃，火焰面移動(dòng)至多孔介質(zhì)中上游。此時(shí)火焰溫度有所降低，與0.24 m·s-1時(shí)的最高燃燒溫度相近，火焰溫度的影響因素中火孔熱強(qiáng)度占主要地位。

氣流速度降低至0.12 m·s-1時(shí)，多孔介質(zhì)中部、上部溫度均開始下降，尤以上部溫度下降明顯，說明火焰已經(jīng)脫離了多孔介質(zhì)下部，進(jìn)入了預(yù)混室，燃燒器發(fā)生回火。此時(shí)，燃燒器火孔熱強(qiáng)度為83.3 kW·m-2，即為該多孔介質(zhì)燃燒器能正常運(yùn)行的最小火孔熱強(qiáng)度。

2.4 SOFC尾氣穩(wěn)定燃燒范圍

SOFC尾氣由多種組分構(gòu)成，在不同在反應(yīng)工況下，組分會(huì)發(fā)生較大變化。由于每種組分的熱值、密度、理論空氣量、火焰?zhèn)鞑ニ俣群头€(wěn)定性等存在差異，因此燃料電池尾氣燃燒器應(yīng)具有適應(yīng)不同組分波動(dòng)而保持穩(wěn)定燃燒的能力。通入不同電堆燃料利用率下的陽極模擬尾氣，并調(diào)整陰極氣體的流量，觀察多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)溫度及火焰面的變化，判定多孔介質(zhì)燃燒器在不同λ下的穩(wěn)定燃燒范圍。

調(diào)整陰極和陽極混合氣體比例，使燃燒器在多孔介質(zhì)內(nèi)部穩(wěn)定燃燒，此時(shí)保持陽極氣體不變，即保持一定的燃料利用率。逐步減小陰極氣體的流量，當(dāng)多孔介質(zhì)下部溫度高于多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度時(shí)，即火焰面移動(dòng)到多孔介質(zhì)下方混合氣體空間進(jìn)行燃燒則判定發(fā)生回火，定義此時(shí)的陰極和陽極氣體比例為該燃料利用率下的回火極限。從初始穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，逐步增加陰極氣體流量，當(dāng)多孔介質(zhì)上部溫度高于多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度時(shí)，即火焰面移動(dòng)到多孔介質(zhì)上部空間進(jìn)行燃燒則判定為脫火，定義此時(shí)陰極和陽極氣體比例為該燃料利用率下的脫火極限。依次改變可燃?xì)怏w流量，獲得不同燃料利用率下SOFC模擬尾氣的穩(wěn)定燃燒上下限，以此來確定其穩(wěn)定燃燒范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，穩(wěn)定燃燒的上下限均隨燃料利用率的提高而下降，穩(wěn)定燃燒范圍變窄。當(dāng)Uf=0.6時(shí)，多孔介質(zhì)脫火極限的λ為2.8，回火極限的λ為1.2。隨著電堆燃料利用率的增大，陽極模擬尾氣H2含量逐漸減少，理論空氣量相應(yīng)減小，脫火極限和回火極限的λ均減小。當(dāng)Uf大于0.75時(shí)，回火現(xiàn)象不再發(fā)生，火焰在空氣量減少到一定程度時(shí)熄滅。當(dāng)Uf=0.85時(shí)，脫火極限的λ為0.5。燃料利用率提高，陽極模擬尾氣的熱值降低，則燃燒反應(yīng)放熱量隨之下降，火焰自維持的動(dòng)力源減弱，再加上大量的水蒸氣存在抑制了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，因此火焰傾向于發(fā)生吹熄。

圖8 不同燃料利用率下SOFC尾氣穩(wěn)定燃燒范圍Fig.8 Stable combustion range of SOFC exhaust gas at different fuel efficiencies

3 結(jié)論

（1）所設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)燃燒器可滿足不同階段SOFC模擬尾氣的燃燒，啟動(dòng)階段的陽極模擬尾氣容易發(fā)生回火，不同階段SOFC尾氣在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒時(shí)煙氣溫度變化不大，燃燒穩(wěn)定后煙氣溫度維持在500～550℃。

（2）SOFC陽極模擬尾氣成分變化對(duì)燃燒狀態(tài)產(chǎn)生影響，陽極模擬尾氣中可燃組分的減少和惰性組分的增加都將使火焰面向下游移動(dòng)，并且穩(wěn)定燃燒溫度降低，當(dāng)混合氣體可燃組分摩爾分?jǐn)?shù)低于8.3%時(shí)燃燒中斷。

（3）燃燒器進(jìn)口氣流速度對(duì)燃燒功率、燃燒溫度和燃燒穩(wěn)定的影響明顯，混合氣組分一定（Uf=0.6，λ=2），入口氣體流速為0.16～0.24 m·s-1時(shí)，燃燒器可以穩(wěn)定燃燒。受火孔熱強(qiáng)度和多孔介質(zhì)蓄熱作用的影響，氣流速度逐漸減小時(shí)穩(wěn)定燃燒溫度先升后降，入口氣體流速為0.20 m·s-1時(shí)，火焰面穩(wěn)定在多孔介質(zhì)中部，其穩(wěn)定燃燒溫度可達(dá)800℃。

（4）SOFC尾氣的穩(wěn)定燃燒范圍受燃料利用率影響，在無背壓工況下，燃燒器的穩(wěn)定燃燒極限隨電堆燃料利用率的增加而減小。

作者貢獻(xiàn)說明：

張靜思：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析，論文撰寫與修改。

陳志光：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，論文修改。

詹心怡：實(shí)驗(yàn)操作，數(shù)據(jù)分析，論文撰寫與修改。

郭雙乾：實(shí)驗(yàn)操作。

秦朝葵：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。