基于相变金属铜的固体氧化物储能电池的热能管理

SmartGrid智能电网,2016,6(6),360-375PublishedOnlineDecember2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/sg.2016.66040文章引用:甘丽珍,刘明周.基于相变金属铜的固体氧化物储能电池的热能管理[J].智能电网,2016,6(6):360-375.*,MingzhouLiuDepartmentofIndustrialEngineering,SchoolofMechanicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhuiReceived:Oct.20th,2016;accepted:Nov.12th,2016;published:Nov.15th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).基于相变金属铜的固体氧化物储能电池的热能管理甘丽珍*，刘明周OpenAccess*通讯作者。甘丽珍，刘明周361合肥工业大学机械工程学院工业工程系，安徽合肥收稿日期：2016年10月20日；录用日期：2016年11月12日；发布日期：2016年11月15日摘要本论文通过模拟仿真模拟燃料电极支撑的Ni-YSZ/YSZ/LSM平板型固体氧化物电池储能系统，基于相变金属铜进行热能存储与利用，研究该电池系统的电能循环效率。研究发现，开路电压对于荷电状态的依赖要比对系统压力更为明显，平板型电池的极化电阻主要来源于金属电极的活化极化。系统气体和部件等热量平衡可显著影响系统运行温度，因此通过系统保温措施可减少热能损失从而提高系统效率。通过利用金属铜将燃料电池模式下的热能进行存储，而在电解池模式下释放热能以维持电池系统运行，电能的热能循环效率可高达80%以上，满足商业化大规模批量化生产要求的标准。关键词固体氧化物储能电池，热能管理，相变金属，铜1.引言固体氧化物电池储能系统是基于固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)和电解池(SolidOxideElectrolysisCell,SOEC)两个模式进行电能存储的一个可逆的系统。固体氧化物电池储能系统本质上是一个可逆固体氧化物电池堆，包括两个相互可逆的电化学过程，即将化学能转化为电能的燃料电池过程和将电能转化为化学能的电解池过程[1][2][3][4]。当固体氧化物电池储能系统以燃料电池模式运行时，是将燃料转化为电能，也就是发电的过程，即电能的利用；而当固体氧化物电池储能系统以电解池模式运行时，则是将电能转化为燃料能源进行能源存储，也就是电能存储的过程。固体氧化物电池储能系统具有以下突出优点，包括全固态、效率高、成本低和体积小，作为清洁能源展现出良好的商业化前景。虽然固体氧化物电池系统经过热电联供技术可与涡轮机共同使用，有效利用高温废热，可以使得系统能量效率大于70%，而对于一个可逆固体氧化物电池储能系统来说，电能在该可逆系统内部的循环效率则是评价电能可逆存储的关键技术指标之一。当前，满足商业化大规模批量化生产要求的电能循环效率的技术指标是国际公认的80%。通过系统的热能管理，充分利用系统的热能，可以在一定程度上调节系统操作温度，因此系统的热能管理对于提高系统电能循环效率极为重要。热能管理可以有效提高循环效率，但同时可逆高温热能存储与释放本身就是一个复杂的技术，它涉及了加热和冷却过程中的电能存储、产生与利用，也是一项非常复杂的系统工程。通过可逆固体氧化物电池储能系统可进行高效的电能存储和利用，但是由于操作温度较高容易造成热能损失，因此进行有效的热能管理和利用可有效提高系统的电能循环效率，以达到80%的商业化大规模批量化生产要求标准[5][6]。由于热能的利用和存储都具有时间性和空间性，为了合理的利用能源并提高能源的利用率，把一段时期内暂时不用的多余的热能存储起来，并在使用高峰时期再提取出来使用，这种方法通常称之为热能的存储与利用。而对于中低温热能的存储技术，当前已发展出多种成熟的商业化技术，例如蓄热锅炉、压缩空气、高温热水等热能存储技术。而随着太空技术和航空技术的发展，又进一步发展出相变材料进行热能存储的新方法，并率先应用于阿波罗十五号飞船。例如，在该技术中，他们将石蜡用于存储在飞甘丽珍，刘明周362行中产生的热，可移动的绝热装置在两次飞行间隙中被打开，储存的热能通过辐射方式散向空间。随着高温热能的温度逐步提高，通过利用相变金属存储热能是高温热能存储的可行途径，而相变金属较大的热容也可实现较大规模的热能存储[7][8][9]。在一个特定的环境下，当相变金属从固相向液相转变中的热能释放或由液相到固相的相变中的热能存储，可以满足快、高效和大规模的要求。在相变温度的金属相变过程可以有效存储和释放热能，而且可逆相变的特点也让相变金属储能具有可以反复利用的优势。更为重要的是，通过选择不同相变金属，可以将系统的操作温度扩展至高达1000℃的高温。金属的热导率比常规的陶瓷和气体等都大很多，这个特点决定了热能在系统和相变金属之间的传输是高效的。这些优势让相变金属塔或器具可以作为固体氧化物电池堆的先进的热能储存系统。金属铜或银，由于其具有较高的热容，也是常见的热能存储金属材料，可以有效地整合进入可逆固体氧化物电池储能系统作为热能管理的平台。本文针对高温电池系统热能产生与损失的特点，针对性地提出基于相变金属进行高温热能存储与利用的方法和技术，针对高温电池系统工作特点，设计并构筑了热能存储装置和模型。并结合固体氧化物储能系统构筑了储能电池和热能存储利用这个综合系统，研究系统的能量转化过程及电能循环效率。2.固体氧化物电池储能系统建模2.1.模型建立单体电池采用Ni-YSZ燃料电极支撑构型的平板构型，其中YSZ为厚度为10微米的电解质薄膜，而燃料电极支撑体的厚度为2毫米，空气电极厚度为50微米，空气电极集流体厚度为30微米，而燃料电极集流体则采用Ni网。如图1所示，单电池构型尺寸设计为边长为10厘米的正方形构型，通过单体电池的并联形成电池堆，用以实现电能的可逆存储[10][11]。基于固体氧化物电池储能系统的燃料电池和电解池的电压的计算则是通过计算标准电动势与考虑温度等影响因素对其影响程度之差所得。电池系统的开路电压则是通过燃料电池和电解池两个模式的电化学反应计算所得，两个反应如下。燃料电池模式：222H12OHO+=(1)222HONernstStandard12HOlnpRTVVnFpp=−(2)Standard0.000281.277VT=−+(3)Figure1.Schematicofthesinglesolidoxidecellwithrelatedparameters图1.单体固体氧化物电池的构型及相关尺寸甘丽珍，刘明周363电解池模式：222HOH12O=+(4)22212HONernstStandardHOlnppRTVVnFp=+(5)Standard0.000281.277VT=−+(6)由公式可以看到，电池的开路电压依赖于燃料电极和空气电极两侧的反应物的浓度以及在该温度下的标准电动势。因此，如果要增加开路电压，可以通过增加标准电极电势、降低系统操作温度或者改变两个电极的反应物浓度及压力所得。2.2.模型计算为了计算电池各部件在不同温度下的电阻数值，本文采用有关空气电极、燃料电极、电解质和连接体等部件的电阻率用以计算各部件在不同温度下的电阻数值。为更为准确获取各个部件电阻数值，本文采用相关模型进行计算。2.2.1.系统部件电阻对于空气电极，首先计算其电阻率在不同温度下的数值，如公式(7)所示[12]，其中T为实际操作温度。5oxygen6008.1110expTρ−=×(7)而对于燃料电极，其电阻率在上述文献中已有报道，其计算方法如公式(8)所示，其中T是燃料电极的实际操作温度。5fuel13922.9810expTρ−−=×(8)而对于YSZ电解质、金属支撑体和连接材料的电阻率的计算方法及公式分别阐述如下：support3160.01exp2.87Tρ−=−(9)electrolyte40620.01exp2.43Tρ=−(10)107interconnector610110Tρ−−=×−×(11)2.2.2.电池总电阻由上述公式可以得到不同温度下不同部件的电阻率，但是其电阻仍需要考虑作用面积及厚度等参数，计算方式如下：iiiilRAρ=(12)其中Ri代表对应部件的电阻，ρi代表对应部件的电阻率，li和Ai则分别代表了对应部件的电流通过的长度和面积。因此，对应于单个固体氧化物电池的电阻则可计算为：()ohmicsupportoxygenfuelelectrolyteinterconnectorcell,connectionRRRRRRR=+++++∑(13)甘丽珍，刘明周364其中Rsupport为支撑体电阻，Roxygen为空气电极电阻，Rfuel为燃料电极电阻，Relectrolyte为电解质电阻，Rinterconnector为连接材料电阻，Rcell,connection为接触电阻。2.2.3.活化极化电阻在本文固体氧化物电池储能系统运行过程中，首先遇到的即是活化极化导致的电压降。本文中采用动态的无限体积的燃料电池模型进行模拟计算活化极化电阻[13]。基于Bu