廖火生，張 霖，張淑興，齊宇博，朱 江

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518031)

隨著全球非可再生能源的日趨匱乏以及氣候變暖對(duì)環(huán)境造成的不利影響愈演愈烈，人類對(duì)清潔能源、環(huán)境友好型能源技術(shù)的需求極其迫切。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下，高效率、低排放的電力生產(chǎn)技術(shù)在很長一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)是能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將碳?xì)浠衔镏械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能并生成水，整個(gè)過程不受卡諾循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換效率的限制，相比常規(guī)的發(fā)電方式具有高效率以及清潔無污染等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[1]，被稱作第四代發(fā)電方式[2]。其中，固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)在眾多燃料電池中以其燃料適應(yīng)范圍廣、低排放污染小[3]、無漏液腐蝕、工作壽命長、綜合效率高等特點(diǎn)，被譽(yù)為21 世紀(jì)最具前景的綠色發(fā)電系統(tǒng)[4]。

SOFC 最顯著的特點(diǎn)是電堆工作溫度高、余熱溫度高，非常適合熱電聯(lián)供系統(tǒng)，綜合效率可達(dá)90%以上。熱管理系統(tǒng)是確保SOFC 電堆安全、長壽、高效運(yùn)行的基本保障[5]，熱管理系統(tǒng)本質(zhì)上就是利用燃燒器、換熱器、重整器等核心設(shè)備充分利用電堆電化學(xué)反應(yīng)后的尾氣所攜帶的熱能，使得電堆能夠維持在合適的工作溫度，同時(shí)在環(huán)境與系統(tǒng)之間構(gòu)建絕熱邊界，有效減小散熱損失[6]，可以說是SOFC 能否成為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的根本。

通常習(xí)慣上將這些熱設(shè)備構(gòu)成的整體稱為“Hot-BOP”，熱箱(hot-box)是熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的技術(shù)[1,7-9]。熱箱簡言之是一個(gè)由保溫材料組成的近似封閉結(jié)構(gòu)，作為系統(tǒng)設(shè)備部件與外部環(huán)境共同的絕熱邊界，其內(nèi)部集成布置了“Hot-BOP”設(shè)備部件以及電堆。熱箱技術(shù)可以顯著提高SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的集成化程度，減小系統(tǒng)體積，這對(duì)于kW 級(jí)小型發(fā)電系統(tǒng)顯得尤為重要。不同于常規(guī)的設(shè)備單獨(dú)絕熱方式，將設(shè)備集中布置于熱箱內(nèi)部之后，設(shè)備與設(shè)備之間存在熱耦合效應(yīng)，為熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。熱管理系統(tǒng)在進(jìn)行能量衡算時(shí)，通常假定設(shè)備部件是絕熱的，熱耦合效應(yīng)使得設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境偏離假定環(huán)境，造成設(shè)備的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)存在模糊性。因此，在系統(tǒng)層級(jí)的正向設(shè)計(jì)過程中，考慮設(shè)備之間的熱耦合效應(yīng)是很重要的[10]。

Kashif Rashid 等[1]設(shè)計(jì)了適用于1 kW SOFC 系統(tǒng)的熱箱，采用CFD 方法對(duì)換熱器、尾氣燃燒器和重整器進(jìn)行模擬，其模擬工作僅考慮了燃燒器和重整器的熱耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)燃燒重整一體化設(shè)計(jì)在滿足重整器功能的基礎(chǔ)上具有緊湊化以及改善系統(tǒng)效率的優(yōu)勢(shì)。

張琳等[10]采用降階的方法對(duì)5 kW 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，結(jié)果表明降階模型具有建模簡單和精度高的優(yōu)點(diǎn)，需要指出的是，這種方法對(duì)電堆和換熱器進(jìn)行了顯著簡化，依然無法對(duì)換熱器等設(shè)備之間的熱耦合影響以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響進(jìn)行預(yù)估。

Gyu-Hong Choi 等[11]對(duì)“Hot-BOP”復(fù)合保溫層分區(qū)保溫的熱箱溫度進(jìn)行數(shù)值分析，表明當(dāng)復(fù)合保溫層導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)時(shí)，其熱穩(wěn)定性較高。該數(shù)值分析內(nèi)容尚未關(guān)注設(shè)備之間的熱耦合效應(yīng)，僅強(qiáng)調(diào)熱箱內(nèi)的溫度差異性。

Han-Taw Chen 等[12]對(duì)SOFC 熱箱及內(nèi)部新型的板式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，采用不同的湍流模型對(duì)熱箱和換熱器的自然對(duì)流換熱耦合換熱進(jìn)行計(jì)算，分析了內(nèi)部空氣的流動(dòng)形態(tài)和溫度分布規(guī)律。

上述文獻(xiàn)雖然對(duì)“Hot-BOP”及熱箱進(jìn)行了相關(guān)研究，但是設(shè)備之間熱耦合的定量計(jì)算、熱設(shè)備的絕熱方式對(duì)熱耦合的影響以及對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響等尚缺乏深入的分析。本文以kW 級(jí)基于甲烷的SOFC 發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)熱箱及“Hot-BOP”開展數(shù)值模擬研究，通過熱耦合的定量計(jì)算，分析不同保溫方案對(duì)熱耦合效應(yīng)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，并在樣機(jī)系統(tǒng)上測試三種方案的實(shí)際效果，為SOFC 熱管理系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型描述

本文kW 級(jí)SOFC 系統(tǒng)的熱箱及“Hot-BOP”組成及三維模型如圖1。熱箱由高性能絕熱板組成，內(nèi)部的“Hot-BOP”包括了SOFC 電堆、尾氣燃燒器、蒸發(fā)器、燃料預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器，其中電堆位于其它設(shè)備之上，以方便拆卸更換。電堆為平板式SOFC，蒸發(fā)器和預(yù)熱器均為板式換熱器，尾氣燃燒器采用部分預(yù)混燃燒方式。為了減小數(shù)值分析計(jì)算量，并獲得較高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格以提高數(shù)值分析精度，各設(shè)備的外形進(jìn)行了簡化。另外，本文模型忽略了管道和設(shè)備支承件，僅考慮主要設(shè)備的傳熱，熱箱及“Hot-BOP”設(shè)備部件尺寸詳見表1。

圖1 kW 級(jí)SOFC 熱箱及“Hot-BOP”組成

表1 熱箱及“Hot-BOP”設(shè)備部件幾何信息 mm

為了研究熱箱內(nèi)部“Hot-BOP”設(shè)備的絕熱方案與熱耦合的關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了三種絕熱方案：第一種方案在熱箱內(nèi)部安裝高性能保溫材料；第二種方案在熱箱內(nèi)部安裝常規(guī)保溫棉；第三種方案在熱箱內(nèi)部不額外安裝保溫材料，保留空氣層。三種方案的保溫材料熱物性參數(shù)如表2 所示，其中導(dǎo)熱系數(shù)為各向同性。

表2 保溫材料物性參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 建模求解

按表1 所述kW 級(jí)SOFC 熱箱和“Hot-BOP”設(shè)備幾何尺寸信息建立三維計(jì)算模型，對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格離散化(圖2)，并在通用商業(yè)CFD 軟件FLUENT 上開展數(shù)值計(jì)算。

圖2 六面體網(wǎng)格離散化

“Hot-BOP”設(shè)備的溫度邊界按平均工作溫度均勻施加到表面上，各設(shè)備的平均溫度如表3 所示。熱箱的外表面為第三類邊界條件，環(huán)境溫度25 ℃，綜合換熱系數(shù)為9.8 W/(m2·℃)

表3 “Hot-BOP”設(shè)備平均溫度 ℃

方案1 和方案2 只需求解固體導(dǎo)熱方程，按表2 的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置材料屬性；方案3 為封閉空間輻射自然對(duì)流換熱計(jì)算，空氣的密度采用不可壓縮理想氣體(incompressible-idealgas)模型，該模型對(duì)氣體密度變化幅度較大的場合更為適用。采用SSTk-ω 湍流模型計(jì)算熱箱內(nèi)的湍流流動(dòng)，該模型需要對(duì)近壁面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，控制無量綱近壁距離Y+近似等于1。本文采用精度較高的離散坐標(biāo)模型(DO 模型)計(jì)算熱箱內(nèi)設(shè)備之間的輻射傳熱，由于空氣間隙厚度不大，空氣對(duì)輻射的吸收和散射均不考慮。各設(shè)備的表面為氧化的不銹鋼，發(fā)射率設(shè)為0.9，熱箱內(nèi)表面的發(fā)射率為0.85。

為了改善收斂效果，壓力速度耦合采用Coupled 算法。壓力的離散采用PRESTO!算法，以提高近壁速度結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)值計(jì)算的收斂判據(jù)設(shè)定為：能量方程殘差為10－6，DO輻射強(qiáng)度殘差為10－6，其余變量的殘差為10－3。

2.2 結(jié)果分析

“Hot-BOP”設(shè)備三種絕熱方案下，熱箱內(nèi)的溫度分布如圖3 所示。熱箱內(nèi)部空間以及外表面溫度最大值、最小值和平均值見表4?？梢悦黠@看到，隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，熱箱內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)均勻化趨勢(shì)。特別是未安裝保溫材料時(shí)，經(jīng)過熱箱內(nèi)部空氣的自然對(duì)流以及設(shè)備間的輻射傳熱，溫度均勻性更為顯著。通常為了安全運(yùn)行，SOFC 電堆要求陽極入口和陰極入口溫差不能過大，高的溫度均勻性有利于減少兩極的入口溫差，彌補(bǔ)由于換熱器熱交換能力設(shè)計(jì)偏差造成的溫度差異。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越小，熱箱外表面平均溫度越低，這對(duì)于減小系統(tǒng)的整體散熱損失是有利的。高性能保溫材料由于導(dǎo)熱系數(shù)很小，保溫效果明顯優(yōu)于常規(guī)的保溫棉材料。

圖3 不同絕熱方案對(duì)應(yīng)熱箱內(nèi)部溫度分布

表4 熱箱內(nèi)部空間和外表面溫度 ℃

不同的絕熱方案下，“Hot-BOP”設(shè)備的熱耦合結(jié)果如圖4 所示?？梢钥吹?，隨著內(nèi)部保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，設(shè)備的熱耦合效應(yīng)愈發(fā)強(qiáng)烈。本文的kW 級(jí)SOFC 系統(tǒng)空氣預(yù)熱器、蒸發(fā)器和燃料預(yù)熱器的設(shè)計(jì)換熱功率分別為1 820、276和200 W。采用高性能保溫材料時(shí)，系統(tǒng)散熱量最小，且設(shè)備與熱箱環(huán)境的熱交換量最低，各設(shè)備的熱耦合量相對(duì)絕熱假設(shè)條件下的設(shè)計(jì)熱功率偏差不是很顯著。采用常規(guī)保溫棉時(shí)，由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯增大，熱耦合量也有明顯增加。當(dāng)不安裝任何保溫材料時(shí)，熱耦合量幾乎發(fā)生量級(jí)的變化甚至改變了熱傳遞方向，熱箱散失到外部環(huán)境的熱量大大增加，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行功率和效率帶來非常不利的影響。在總的傳熱量中，輻射傳熱幾乎占了90%以上，這種情況下，系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)可能會(huì)顯著偏離理論衡算情況。同時(shí)也說明采用固體保溫材料可以通過減弱輻射傳熱來顯著降低熱耦合，這種保溫方式使得工藝系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，采用絕熱假設(shè)進(jìn)行能量平衡計(jì)算獲得的工藝參數(shù)作為設(shè)備設(shè)計(jì)輸入不會(huì)帶來顯著的偏差。對(duì)于方案3，從減小環(huán)境散熱損失角度出發(fā)，只需增加熱箱的保溫層厚度即可。但與此同時(shí)，熱箱的體積也會(huì)有所增大，因此選用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料很有必要，本文所述的高性能保溫材料非常適用于SOFC 系統(tǒng)。方案3 由于強(qiáng)烈的熱耦合效應(yīng)，系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)難度將會(huì)增加。

圖4 不同絕熱方案對(duì)應(yīng)熱箱內(nèi)部熱耦合及環(huán)境散熱結(jié)果

3 系統(tǒng)測試

上述針對(duì)“Hot-BOP”設(shè)備不同的絕熱方案在kW 級(jí)系統(tǒng)上開展了效果測試，圖5(d)為熱箱外觀，圖5(a)～(c)展示了相同的空氣、燃料和水流量下，三種絕熱方案主要工藝參數(shù)實(shí)測值和理論衡算值的對(duì)比。可以看出，由于方案1的保溫效果很好，介質(zhì)經(jīng)過換熱到達(dá)電堆入口時(shí)，溫度高于理論值。又因?yàn)楸夭牧蠝p弱了熱耦合效應(yīng)，各狀態(tài)參數(shù)趨勢(shì)符合實(shí)際預(yù)期，也比較接近理論衡算值。另外由于電堆本體的散熱也很小，因此電堆的運(yùn)行溫度高于理論值。在方案1下，電堆實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，發(fā)電效率達(dá)60%以上，功率和效率均達(dá)到理論設(shè)計(jì)值。對(duì)于方案2 和方案3，隨著保溫效果的惡化，電堆越來越偏離合適的運(yùn)行溫度，又由于很強(qiáng)的熱耦合效應(yīng)，設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)與理論衡算值偏差顯著，趨勢(shì)甚至背離預(yù)期，比如換熱器的冷側(cè)或熱側(cè)的溫度朝著反方向變化。需要指出的是由于方案2 的電堆未達(dá)到理想的運(yùn)行狀態(tài)，燃料利用率不高，因此尾氣可燃成分較高，造成燃燒尾氣溫度比方案1 高，同時(shí)電堆的運(yùn)行功率和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及方案1。而采用方案3 時(shí)，由于熱耦合造成的設(shè)備實(shí)際參數(shù)偏離以及散熱損失過大，未使電堆達(dá)到運(yùn)行溫度，但與此同時(shí)也發(fā)現(xiàn)空氣和燃料在經(jīng)過熱耦合后達(dá)到電堆入口時(shí)，兩者溫差有一定減小。

圖5 不同絕熱方案下主要工藝參數(shù)實(shí)測值和理論衡算值的對(duì)比(括弧數(shù)據(jù)為實(shí)測值)

4 結(jié)論

本文對(duì)kW 級(jí)SOFC 系統(tǒng)“Hot-BOP”設(shè)備三種不同的絕熱方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了熱箱內(nèi)部的溫度場以及設(shè)備的熱耦合情況，結(jié)果表明：(1)隨著內(nèi)置保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，熱箱外表面溫度升高，熱箱內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)均勻化趨勢(shì)，有利于減小電堆的溫差；(2)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，設(shè)備的熱耦合效應(yīng)愈發(fā)強(qiáng)烈，總體散熱損失也越大，工藝系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)難度將提高。

在系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了三種絕熱方案的實(shí)測驗(yàn)證，得到了系統(tǒng)的運(yùn)行工藝參數(shù)，結(jié)果表明：(1)熱耦合效應(yīng)的增強(qiáng)將顯著造成設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)偏離理論衡算結(jié)果，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；(2)三種方案中，熱箱內(nèi)置高性能保溫材料的方案最優(yōu)，此方案下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，效率達(dá)60%以上，功率和效率均達(dá)到理論設(shè)計(jì)值；(3)“Hot-BOP”安裝高性能保溫材料可以顯著減弱熱耦合效應(yīng)，降低換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)難度，易于使系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)接近理論衡算值。從本文kW 級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行測試實(shí)踐看，高性能保溫材料相比傳統(tǒng)保溫材料更適用于SOFC 系統(tǒng)。