燃料電池發(fā)電系統(tǒng)尾氣回?zé)嵫b置的設(shè)計(jì)與開發(fā)

齊宇博，張淑興

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

燃料電池（fuel cell）是一種不經(jīng)過燃燒而直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，與現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)相比具有更高的發(fā)電效率和更低的污染物排放，數(shù)十年來在世界范圍內(nèi)獲得了大量的推廣應(yīng)用。在多種燃料電池中，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，以下簡稱SOFC）具有發(fā)電效率高、工作壽命長、無需貴金屬催化劑、全固態(tài)結(jié)構(gòu)不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并且SOFC由于工作溫度高，具有更廣泛的燃料適用范圍，SOFC逆用可電解高溫水蒸氣用來高效制氫，電解二氧化碳合成燃料氣，未來應(yīng)用的市場前景廣闊[1]。

SOFC是新一代清潔、低碳的發(fā)電技術(shù)，被各國視為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，獲得廣泛持續(xù)的關(guān)注和支持。從國際來看，主要發(fā)達(dá)國家的SOFC已邁過了產(chǎn)品生命周期的研發(fā)階段和導(dǎo)入期，正步入成長期，并且發(fā)展勢頭良好。美國有多家SOFC的知名企業(yè)，其中Bloom Energy為典型代表已于2018年7月上市。該公司推出的固定電源產(chǎn)品功率主要為100kW～300kW，已獲得蘋果公司總部大樓4WM、馬州醫(yī)院4.1MW等大訂單，累計(jì)出貨量逾300MW。歐盟地區(qū)包括英國、德國、奧地利、芬蘭、丹麥有多家SOFC研發(fā)企業(yè)，其中，英國的Ceres Power為典型代表。該公司產(chǎn)品功率為1kW～25kW，于2014年獲得174臺(tái)產(chǎn)品訂單，后續(xù)逐漸向日產(chǎn)、本田、康明斯和博世等眾多大型企業(yè)轉(zhuǎn)讓股份，市場不斷擴(kuò)大。日本是燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展最好的國家，SOFC典型代表企業(yè)有愛信精機(jī)、三菱重工等。產(chǎn)品功率以1kW級(jí)居民用熱電聯(lián)供居多，已累計(jì)銷售約30萬套。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)SOFC產(chǎn)業(yè)技術(shù)已形成了一定的上下游產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)和核心技術(shù)積累，但整體上處于技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，技術(shù)水平與國際差距較大，產(chǎn)業(yè)配套不足，導(dǎo)致SOFC商業(yè)應(yīng)用滯后于世界先進(jìn)水平。產(chǎn)業(yè)鏈方面，國內(nèi)已經(jīng)開始出現(xiàn)從粉體材料、電堆到關(guān)鍵部件、系統(tǒng)集成供應(yīng)商，雖然數(shù)量較少，尚未形成穩(wěn)定的體系，但已經(jīng)為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。在核心技術(shù)和研究能力方面，國內(nèi)已經(jīng)建立以高校、科研院所為主的基礎(chǔ)研究隊(duì)伍和以企業(yè)研究院、新興技術(shù)公司為主的應(yīng)用技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，已初步形成了各具優(yōu)勢的技術(shù)力量，全面實(shí)現(xiàn)SOFC核心技術(shù)自主化時(shí)機(jī)和條件已經(jīng)成熟[2]。

SOFC發(fā)電系統(tǒng)具體包括5個(gè)子系統(tǒng)：分別為電堆子系統(tǒng)、燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、尾氣回收子系統(tǒng)和電控子系統(tǒng)。其中，關(guān)于尾氣回收子系統(tǒng)，一個(gè)完備高溫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)必須配備一定的能量回收單元，通常由除電堆以外的其他輔助設(shè)備組成。其作用是：對(duì)尾氣進(jìn)行充分回收利用，提高系統(tǒng)效率；減少廢氣排放量，回收的尾氣可以在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部用于循環(huán)利用。在尾氣回收子系統(tǒng)中，尾氣回?zé)嵫b置是重要的設(shè)備之一，是完成熱電聯(lián)供必不可少的裝置[3]。

本文是根據(jù)自主研發(fā)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的特殊要求，定制化開發(fā)的一種尾氣回?zé)嵫b置。

1 開發(fā)要求

尾氣回?zé)嵫b置是用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)高溫尾氣余熱的回收。從熱電聯(lián)供要求上，該設(shè)備至少要回收300W的熱量，以達(dá)到高于80%熱電聯(lián)供效率；從緊湊化安裝要求上，該設(shè)備滿足容量前提，盡量強(qiáng)化換熱效率，降低換熱面積，以減小設(shè)備體積和造價(jià)；從系統(tǒng)接口要求上，該設(shè)備必須設(shè)計(jì)為4進(jìn)4出的接口，以便于接駁系統(tǒng)；從壓損控制要求上，該設(shè)備必須將壓損控制在低于150Pa，以緩解電堆出口壓力對(duì)電堆密封造成不利影響；從系統(tǒng)絕熱要求上，該設(shè)備宜能實(shí)現(xiàn)自絕熱功能，減少保溫材料的施用；從加工制造要求上，該設(shè)備必須便于加工制造，不應(yīng)優(yōu)先采用釬焊、擴(kuò)散焊等復(fù)雜焊接技術(shù)，宜使用傳統(tǒng)焊接工藝就能完成試制。

因此，該設(shè)備開發(fā)要分別滿足容量、安裝、接口、壓損、絕熱和制造等6條基本要求。本文正是在全面考慮該設(shè)備的開發(fā)要求，根據(jù)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)需要，定制化設(shè)計(jì)和開發(fā)一款尾氣余熱回收裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本文上一節(jié)的開發(fā)要求，擬采用300mm×300 mm×90mm制造規(guī)格，確保換熱面積超過1m2。為強(qiáng)化氣側(cè)和水側(cè)換熱效率，氣側(cè)采用折流板式設(shè)計(jì)，水側(cè)設(shè)置過流攪渾翼片，增大水的紊亂程度。同時(shí)，該設(shè)備的關(guān)鍵換熱板面材料厚度為0.5mm，提高換熱能力和便于制造，進(jìn)行折中考慮。由于高溫尾氣含有較大量的水蒸氣，熱交換過程中會(huì)出現(xiàn)大量冷凝，因而設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮冷凝水能及時(shí)排出。

經(jīng)反復(fù)權(quán)衡利弊，該設(shè)備的最終結(jié)構(gòu)定式如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)定式Fig.1 Equipment structure and formula

3 仿真分析過程

3.1 計(jì)算依據(jù)

流體流動(dòng)遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律，控制方程是上述定律的數(shù)學(xué)描述，對(duì)應(yīng)的控制方程包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分質(zhì)量守恒方程。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程[4]。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

其中，有效粘度定義為μeff=μ+μt，μt為湍流粘度。能量守恒方程：

其中，有效導(dǎo)熱系數(shù)

當(dāng)流動(dòng)為層流時(shí)，湍流粘度tμ為零，上述方程是封閉的，只要給定初始條件和邊界條件便可求解。

當(dāng)流動(dòng)為湍流時(shí)，上述方程并不封閉，需要引入湍流模型。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。湍流模型常用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型，它們是Reynolds時(shí)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)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型主要是求解湍流動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε輸運(yùn)方程，并建立它們與湍流粘性系數(shù)μt的關(guān)系。k-ε模型假定流場是完全發(fā)展的湍流，流體分子間粘性可以忽略。因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠較好地模擬遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，而在近壁面處對(duì)網(wǎng)格要求較高。其方程如下：

RNG k-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使得模型能夠捕捉多個(gè)尺度的湍流擴(kuò)散，從而擴(kuò)大了其使用范圍[6]。其k方程和ε方程可以寫成如下形式：

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

SST k-ω湍流模型在近壁面保留了原始的k-ω模型，在遠(yuǎn)離壁面的地方應(yīng)用了k-ε模型，可以更為廣泛地應(yīng)用于各種壓力梯度下的邊界層問題，對(duì)壁面網(wǎng)格適應(yīng)性更好。其湍流動(dòng)力粘度系數(shù)、k方程以及ω方程可以寫成如下形式[5]：

其中，Ω為渦量，y為距壁面的距離，常數(shù)項(xiàng)設(shè)定a1=5/9，a2=0.44，β1=3/40，β2=0.828，β*=0.09，σk1=0.85，σk2=1，σω1=0.5，σω2=0.856。

圖4 換熱面換熱量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of heat exchange on the heat exchange surface

圖5 靜壓場云圖Fig.5 Cloud map of static pressure field

圖6 溫度場云圖Fig.6 Cloud map of temperature field

3.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算過程要涉及流體和傳熱，首要關(guān)注材料設(shè)置和材料參數(shù)引用。本文考慮結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)制造情況，選用304不銹鋼作為計(jì)算輸入，材料參數(shù)詳見表1。

表1 材料主要參數(shù)Table 1 Main parameters of materials

電堆陽極燃料經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)，仍然殘留部分可燃?xì)怏w成分，再經(jīng)后置燃燒器燃盡，因此數(shù)值計(jì)算要結(jié)合工藝設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定主要邊界條件。

該算例共生成總網(wǎng)格數(shù)為406.2萬，其中流體網(wǎng)格數(shù)為260.4萬，固體網(wǎng)格數(shù)為145.8萬，接觸固體的流體網(wǎng)格數(shù)為110.5萬，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

4 仿真分析結(jié)果

經(jīng)過883次計(jì)算迭代，各控制方程已收斂，換熱器水側(cè)出口平均溫度穩(wěn)定73.3℃，各尾氣通道參數(shù)詳見表3。

表3 監(jiān)控參量數(shù)值Table 3 Monitoring parameter values

計(jì)算迭代次數(shù)與各目標(biāo)值曲線如圖3所示。

圖3 監(jiān)控參量變化曲線Fig.3 Monitoring parameter change curve

水流量10kg/hr，4個(gè)主要換熱面的熱功率分別為75.583W、81.127W、72.913W和78.441W，換 熱 總 量達(dá)到308.1W，超出設(shè)計(jì)要求300W。

發(fā)電系統(tǒng)要求換熱器壓損盡可能低（＜150Pa），保證換熱情況下盡量減少電堆出口壓力，通過特殊折流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)放大氣體流道，通過數(shù)值仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)壓損僅為99Pa，只有全釬焊式板式換熱器的20%。

在滿足低壓損要求前提下，盡可能兼顧現(xiàn)場管道接駁要求，便于現(xiàn)場施工和安裝。同時(shí)，在水側(cè)要設(shè)計(jì)特殊的均流或攪渾裝置，以加大流體混亂程度，提高傳熱膜系數(shù)，增強(qiáng)換熱效果。

5 結(jié)論

通過分析自研燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，明晰尾氣回?zé)嵫b置的開發(fā)要求，提出尾氣回?zé)嵫b置的結(jié)構(gòu)定式設(shè)計(jì)。通過計(jì)算機(jī)仿真手段，開展傳熱、流動(dòng)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在一定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，能夠符合設(shè)計(jì)開發(fā)要求。同時(shí)，依托生產(chǎn)制造和性能試驗(yàn)，取得滿意效果。本文實(shí)踐證明，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，能有效提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率和降低研發(fā)成本，為下一階段的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。