固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池

第31卷第20期中国电机工程学报Vol.31No.20Jul.15,20112011年7月15日ProceedingsoftheCSEE©2011Chin.Soc.forElec.Eng.33文章编号：0258-8013(2011)20-0033-07中图分类号：X911文献标志码：A学科分类号：470·10固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真谭玲君，杨晨(重庆大学动力工程学院，重庆市沙坪坝区400044)ModelingandSimulationofaHybridSystemCombiningSolidOxideandProtonExchangeMembraneFuelCellTANLingJun,YANGChen(CollegeofPowerEngineering,ChongqingUniversity,ShapingbaDistrict,Chongqing400044,China)ABSTRACT:Thisarticleestablishedanewelectricalsystemstructure-solidoxidefuelcell(SOFC)andprotonexchangemembranefuelcell(PEMFC)hybridpowergenerationsystem.Inthissystem,ahigh-temperaturesolidoxidefuelcellnotonlywasusedtoproduceelectricitybutalsosupplythereformedgastoapolymerelectrolytemembranefuelcelltogenerateextraelectricitysimultaneously,whichcanimprovetheenergyconversionefficiencyandsavethecostofreformersignificantly.ThispaperestablishedthemathematicsmodelofSOFC-PEMFChybridsystembaseonmassandenergybalancecoupledwithelectrochemistrytheory.Theparticulardiscussionoftheeffectsofthesystemparameter(fuelutilization,airtofuelratio,andfuelflow-rate)onthesystemperformancewasperformed.Resultsshowthattheelectricalefficiencyandsystemefficiencypredictedforthehybridsystemareshowntobe54%and73.3%respectively,whichbetterthanareformer-PEMsystemandaSOFC-onlysystemwiththesamepoweroutput.Reasonableairtofuelratiocouldimprovetheperformanceofthehybridsystem.Moreover,electricalefficiencyreachesthemaximumwhenthevalueoffuelutilizationinSOFCis75%andfuelflow-ratehasnoeffectontheelectricalefficiency.KEYWORDS:solidoxidefuelcell;protonexchangemembranefuelcell;hybridsystem;mathematicmodel;systemsimulation;performanceanalysis摘要：建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)与质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)联合发电系统，在该联合系统中SOFC不但可产生电能，同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能，提高了燃料能量转换率，也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明，在本文设计工况下，SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54%和72.3%，高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统；另外，合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能；SOFC燃料利用率为75%时，系统发电效率达到昀大；燃料流量对系统发电效率基本没有影响。关键词：固体氧化物燃料电池；质子交换膜燃料电池；联合发电系统；数学模型；系统仿真；性能分析0引言固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)是一种高效低污染的新型能量转换装置，独立SOFC发电系统在输出功率为109kW时热电综合效率为46%[1]。由于SOFC排气温度较高(800~1000℃)，有非常高的余热利用价值，通常将SOFC与传统的蒸汽轮机(steamturbine，ST)，或燃气轮机(gasturbine，GT)组成联合发电系统，以提高系统效率。例如发电需求为19.5MW的SOFC-GT联合系统发电效率可达到70%[2]，然而因为燃气轮机(GT)的能量转换效率会因负荷的减少而降低[3]，导基金项目：国家自然科学基金项目(50876117)；中央高校基本科研业务费资助(CDJXS11141149)。NationalNaturalScienceFoundationofChina(50876117);FundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(CDJXS11141149).34中国电机工程学报第31卷致SOFC-GT混合系统发电效率也随之降低。如当发电需求为220kW时，SOFC-GT发电效率仅为57%[4]，远远低于发电需求为19.5MW时的发电效率70%。目前，固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合组成的发电系统(solidoxidefuelcell-protonexchangemembranefuelcell，SOFC-PEMFC)逐渐受到人们的关注[5-10]。PEMFC以氢气或净化重整气为燃料气体，重整和水汽置换反应是吸热反应，须在高温下发生反应，从而需要外置重整器，增加了设备，而在SOFC-PEMFC联合发电系统中，依靠SOFC的内重整代替外置重整器技术，不但SOFC产生电能，而且PEMFC以SOFC阳极出口气体为燃料可产生附加电能，从而提高了能量利用率[8]。而且，不同于SOFC-GT联合系统，因为PEMFC的发电效率在发电功率变化时仍能基本保持恒定，即使系统功率需求降低，SOFC-PEMFC联合系统的发电效率也基本保持为定值[5-7]。在系统成本方面，SOFC-PEMFC联合发电系统仍有优势，Andrew.Dicks[8]对发电效率同为200kW、系统寿命周期为20年的3种发电系统——独立SOFC发电系统、重整器-PEMFC发电系统、SOFC-PEMFC联合系统的花费成本进行了分析，结果表明虽然SOFC电堆的成本比重整器的成本高，但SOFC-PEMFC联合系统所需的燃料量少，昀终SOFC-PEMFC联合系统的总花费分别比独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC系统少29%和19%。目前国内外对SOFC-PEMFC联合系统的模拟研究都处于相对初级的阶段。2000年，Andrew.Dicks等人提出SOFC-PEMFC联合系统的概念，建立了粗略的电堆模型。2004年，MasayukiYokoo，TetsuoTake[2,5-8]建立该系统电堆及辅助设备的模型，分析SOFC电堆中的氧气利用率与PEMFC电堆的燃料利用率与电压对系统效率的影响，模拟结果表明发电效率为190kW的SOFC-PEMFCFC联合发电系统的发电效率与SOFC-GT混合系统在功率为1014kW时的发电效率相同，同为59%，2006年，MasayukiYokoo又对SOFC-PEMFC并联联合系统进行了数值模拟[6]。而在国内，还没有发现SOFC-PEMFC联合系统的相关文献。本文以Matlab软件为仿真平台，采用模块化设计方法对SOFC-PEMFC联合发电系统各部件进行了建模和仿真，通过仿真结果分析系统的各项性能指标，并研究燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量对系统性能(发电功率、发电效率等)的影响来预测系统的性能表现。为SOFC-PEMFC联合系统的设计及优化提供支持。1系统描述SOFC-PEMFC联合系统流程见图1。常温条件下，空气(N2为79%，O2为21%)经压缩机压缩至系统工作压力，再经空气预热器预热后进入SOFC阴极。天然气(CH4为100%)经压缩与预燃料侧压缩机燃料预热交换器热交换器I水汽转换反应器催化氧化反应器冷凝器燃烧室空气预热交换器余热回收蒸气发生器空气侧压缩机空气阳极PEMFC阴极DC/AC电输出电输出燃料阴极SOFC阳极水排气水热水水热水热交换器IIDC/AC图1SOFC-PEMFC联合系统流程图Fig.1FlowsheetofSOFC-PEMFChybridsystem第20期谭玲君等：固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真35热，与水蒸气按一定比例(S/C)混合进入SOFC阳极，在SOFC电堆中，燃料与空气发生电化学反应，电子通过外电路形成回路，产生电流，经电力转换器将直流电转换为交流电后向用电设备供电。从SOFC阳极出来的混合气体仍含有可利用的燃料(CO，H2)，进入水煤气转化反应器和催化氧化反应器以减少CO含量对PEMFC的毒害，由于水煤气转化反应器的操作温度大约在550~700K，催化氧化反应器的操作温度在400~550K[11]，两者入口端需要设置换热器以降低入口温度，从催化氧化反应器出来的富氢气经过冷凝器冷却到PEMFC的操作温度，进入PEMFC阳极，与阴极的空气发生电化学反应，产生额外电能。PEMFC阳极和阴极的排气与SOFC阴极的排气混合进入燃烧室，将未利用的H2催化燃烧，产生高温烟气，其余热依次为空气预热器、燃料预热器和蒸汽发生器提供热能，昀终烟气通过余热换热器将热能输出供给用户。整个系统研究建立在以下假设基础上：1）反应气假设为理想气体，其定压比热视为定值。2）燃料电池堆中发生的重整反应和置换反应均达到平衡状态。3）SOFC电堆温度与出口温度一致。4）PEMFC电堆散热充分，温度保持在80℃。5）在水煤气转换反应器内，99.9%的CO发生置换反应转变成CO2，在催化氧化反应器中剩余的CO将全部被氧化为CO2，且在催化氧化器中只发生CO的氧化反应。6）忽略各种压力损失。反应设备中发生的化学反应如表1所示。表1各反应设备中发生的化学反应Tab.1Thereactionmechanismsinthereactors反应器反应方程式∆H298/(kJ/mol)SOFC电堆CH4+H2O→3H2+COCO+H2O→H2+CO2H2+0.5O2→H2O206.2−41.1−242PEMFC电堆H2+0.5O2→H2O−242水汽转换反应器CO+H2O→H2+CO2−41.1催化氧化反应器CO+0.5O2→CO2−283燃烧室H2+0.5O2→H2O−2422系统模型2.1SOFC模型SOFC-PEMFC联合系统是建立在管式内重整SOFC(IRSOFC)燃料电池基础上。SOFC电堆中3个反应(见表1)均假定处于化学平衡状态，可以应用平衡常数的定义和燃料利用率来计算它们的化学平衡常数。其计算式如下：2423H,outCO,out2tot,reformer20CH,outHO,outtot()