煤基合成氣平板式固體氧化物燃料電池性能研究與優(yōu)化.pdf

1、隨著節(jié)能減排和環(huán)境保護的呼聲日益高漲，以煤炭為能源主體的我國面臨著前所未有的壓力。但在相當長一段時間里，煤炭仍是我國的主要能源，因此，高效、清潔地利用煤炭資源，對緩解我國能源壓力、提高能源利用效率和減少溫室氣體排放有著重要的意義。煤氣化燃料電池燃氣輪機混合動力循環(huán)（IGFC/GT）使煤炭清潔利用成為可能，具有良好的發(fā)展前景與研究空間。高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）是IGFC/GT的關鍵部件，其性能對系統性能起決定性作用，但同時煤基合

2、成氣SOFC還存在很多不完善之處有待研究。因此，本文結合實驗與數值模擬的方法，系統地對SOFC單電池進行了性能研究與優(yōu)化。
　　設計搭建了研究多孔介質內傳熱性能的實驗臺，制備了不同孔隙率的Ni/YSZ多孔陽極實驗件，分別在以二氧化碳和氮氣為工質工況下，研究了不同電池運行溫度、氣體流速、孔隙率工況下多孔介質內的傳熱性能，歸納出多孔介質內考慮溫度修正的有效導熱系數公式。實驗表明，多孔介質有效導熱系數隨溫度的升高略有上升，近似與孔隙率成

3、線性函數關系，在實驗條件下氣體流速對其影響非常小。同時，對于不同單組分氣體，溫度對導熱系數的影響規(guī)律相似，但分別以二氧化碳、氮氣為工質時，兩者獲得有效導熱系數差別在3.2％以內。
　　建立了煤基合成氣SOFC單電池全三維數值分析模型，包括了流動傳熱、電化學、電流場等模型，同時具有以下特點：以分析三維情況下的氣體擴散過程來計算濃度過電勢，代替了簡單的濃度過電勢計算；考慮了包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、甲烷以及碳等化學組分在內

4、的十多種化學反應，能很好的描述單電池內真實的化學環(huán)境；能有效預測碳沉積可能性及位置；采用溫度相關的氣體特性函數以及實驗獲得的多孔介質有效導熱系數和化學反應有效動力學等模型。以公布的氫氣和天然氣為燃料的實驗數據對模型進行驗證，計算結果與實驗數據相吻合。
　　利用上述模型，研究了多個重要參數對SOFC性能的影響，并進行了性能優(yōu)化，詳細結論如下：
　　1)分析了順流時單電池的性能，得到了單電池內溫度、組分、電流及電勢等參數的詳細分

5、布。對電池內流動傳熱、電化學等變化規(guī)律有清晰的認識，由分析結果可見：單電池內最高溫度出現在陽極出口靠近三相界面處；活化損失是SOFC的主要損失，在平均電流密度為13000 Am-2工況下，占據了Nernst電動勢的59%，而歐姆損失僅占4%；電流密度在電解質層呈波浪形分布，主要是由電池幾何結構所決定。
　　2)在滿足電池內溫度梯度限制的情況下，最優(yōu)空氣過量系數主要是由平均電流密度決定的，最優(yōu)空氣過量系數隨著平均電流密度的增加逐漸上

6、升，但上升幅度逐漸縮小，而隨著空氣過量系數的增加，輸出電壓及功率密度隨之降低。根據上述研究，給出最優(yōu)空氣過量系數與平均電流密度的關系式。
　　3)通過改變燃料供應量來研究電池調峰調谷的性能，由研究可見：增加燃料供應量SOFC最大溫差降低，但變化幅度較小，且燃料流量對最大溫差的影響逐漸減弱；燃料利用率則隨著燃料流量的增加而降低；燃料的增加有助于提高輸出電壓，也增加了其可用的用電負荷范圍。
　　4)通過改變平均電流密度來研究負載

7、對電池性能的影響。由研究可見：隨著負載的增加，SOFC內部最大溫差逐漸增加，但當平均電流密度大于10000 Am-2時，最大溫差變化較為接近，而SOFC入口附近溫度梯度增加明顯；歐姆過電勢隨著平均電流密度的增加而增加，但是在計算工況范圍內，最大的歐姆過電勢也未超過0.04V；給出相應的性能曲線及最佳的工作范圍。
　　5)建立了碳沉積可能性的預測模型，研究了煤基合成氣中各組分不同含量工況下碳沉積的可能性和位置。由研究可見：一氧化碳含

8、量的增加會減小SOFC碳沉積的范圍，但是會增強局部碳沉積活性；較低的氫氣含量會導致SOFC碳沉積可能性增強；二氧化碳對碳沉積影響不明顯，較小的碳沉積活性主要集中在SOFC近入口附近；水蒸汽的增加對碳沉積有明顯的抑制作用，但考慮到對SOFC輸出電壓的影響，水蒸汽含量應在合理范圍；甲烷存在會引起明顯的碳沉積，且隨著含量的增加而增加，因此，在以煤基合成氣為燃料時，應盡量降低甲烷含量。
　　6)利用ANSYS軟件，分析了上述工況下單電池內