燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)數(shù)值模擬與催化燃燒實驗研究.pdf

1、從上個世紀末開始,各國科研人員就開始了對熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃氣輪機(MCFC/MGT)混合動力系統(tǒng)的研究。通過對這種新型的混合動力系統(tǒng)的研究,人們發(fā)現(xiàn)燃料電池/燃氣輪機混合動力系統(tǒng)具有傳統(tǒng)動力系統(tǒng)所不具有的優(yōu)點,其能量轉(zhuǎn)化效率和污染物的排放水平都達到了令人滿意的水平。因此,目前這種混合動力系統(tǒng)已成為各國重點發(fā)展的新能源技術(shù)。在本文中,旨先應(yīng)用數(shù)學手段建立了燃料電池及混合動力系統(tǒng)的仿真模型,對電池和系統(tǒng)在設(shè)計工況、非設(shè)計工況的穩(wěn)態(tài)和

2、動態(tài)特性進行了詳細的分析。燃料電池的尾氣中有部分沒有完全反應(yīng)的燃料,這部分燃料具有可燃成分含量少、流動速度快等特點,這些特點使得在混合動力系統(tǒng)中需要應(yīng)用催化燃燒。催化燃燒室可以將這部分能量繼續(xù)轉(zhuǎn)化,從而可以提高系統(tǒng)效率、改善系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)污染物排放,因此在混合動力系統(tǒng)中必需采用催化燃燒室。同時,催化燃燒室的應(yīng)用還為混合動力系統(tǒng)的燃料多樣化提供了必要的基礎(chǔ)。在對催化燃燒室進行了詳細的理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計搭建了催化燃燒實驗平臺,列催化

3、燃燒進行了深入的實驗研究。本文所做的工作為MCFC/MGT混合動力系統(tǒng)的實際開發(fā)和應(yīng)用提供了必要的理論指導和實驗基礎(chǔ)。木文主要在以下幾個方面取得了一定的進展。
　　 (1)燃料電池數(shù)學模型的建立
　　 基于質(zhì)量、能量、動量守恒原理和熱力學特性,考慮各種極化損失、傳熱形式及詳細的氣體特性,建立了熔融碳酸鹽燃料電池的數(shù)學模型。在模型的建立過程中考慮了熱力學和電化學兩個方面,考慮了電流密度場與溫度場之間的偶合關(guān)系?？紤]了反應(yīng)氣

4、體的溫度、流量、組分及相應(yīng)的熱力學特性沿流動方向的變化,合理的處刪溫度場和電流密度場、反應(yīng)氣體組分場的耦合關(guān)系。在熱力學模型的建立過程中不僅考慮了各種傳熱形式導致的熱量傳遞,同時也考慮了由傳質(zhì)所引起的能量轉(zhuǎn)移。在電化學模型的建立過程中,汁算極化特性時使用的是由實驗回歸擬合數(shù)據(jù)。存對混介動力系統(tǒng)的研究中,建立考慮了如此多參數(shù)洋細的燃料電池模型并不多見。詳細的燃料電池模型可以為系統(tǒng)特性變化時分析燃料電池的具體反應(yīng)特性提供必要的條件。所建立的

5、數(shù)學模型中包括非線性的偏微分方程,溫度和流景之間存在耦合關(guān)系。為了提高數(shù)學模型的求解速度實現(xiàn)模型的快速求解,引入了容阻特性建模和分布-集總參數(shù)法將復(fù)雜的偏微分方程進行了轉(zhuǎn)換,建立了適用于快速動態(tài)仿真的電池模型。利用該模型分析了某一工況下熔融碳酸鹽燃料電池的性能,通過與實驗數(shù)據(jù)的對比表明,該模型可以反映熔融碳酸鹽燃料電池的特性。
　　 (2)混合動力系統(tǒng)模型建立及變負荷特性分析
　　 在系統(tǒng)設(shè)計過程中考慮采用增壓犁MCFC

6、。由MCFC對工作壓力的要求及模塊化設(shè)計的特點,在本文中突破了傳統(tǒng)的基于MCFC的混合動力系統(tǒng)的設(shè)計,而是采用了基于現(xiàn)有燃氣輪機的混合動力系統(tǒng)的設(shè)計。建立了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模型,對混合動力系統(tǒng)大范圍工況變動情況下的熱力系統(tǒng)特性、控制對象調(diào)節(jié)等特性進行了研究,揭示出混合動力系統(tǒng)特性變化的機理和規(guī)律。對系統(tǒng)采用不同的運行方式時的非設(shè)計工況特性進行了比較,分析了不同運行方式對系統(tǒng)的影響。對系統(tǒng)在啟動、關(guān)機、負荷變化等的動態(tài)特性進行了研究。針對

7、所研究系統(tǒng)的特點,對系統(tǒng)啟動關(guān)機過程中可能出現(xiàn)的問題及對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進行了分析,并提出了相應(yīng)的解決策略。為將系統(tǒng)從冷態(tài)啟動到正常運行及從正常運行到關(guān)機,在系統(tǒng)中加入了一系列的輔助設(shè)備,以保證系統(tǒng)安全正常的啟動關(guān)機。針對所研究的系統(tǒng),提出了詳細的啟動關(guān)機步驟,并應(yīng)用數(shù)學模型對系統(tǒng)啟停過程中的特性進行了研究,為實驗系統(tǒng)的控制與管理提供借鑒。
　　 (3)MCFC/MGT混合動力系統(tǒng)催化燃燒特性研究
　　 應(yīng)用數(shù)學的手段建立

8、了催化燃燒室的數(shù)學模型,所建立的數(shù)學模型是基于詳細的化學反應(yīng)動力學的分布參數(shù)的微通道模型,并將模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比,確認了模型的準確性。應(yīng)用數(shù)學模型,分析了混合動力系統(tǒng)在啟動、設(shè)計工況及非設(shè)計工況運行時催化燃燒室的反應(yīng)特性及不同運行參數(shù)和燃料成分對燃燒室特性的影響。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上搭建了催化燃燒實驗平臺,對催化燃燒室的特性進行了實驗分析。在所搭建的催化燃燒實驗平臺上,對混合動力系統(tǒng)在不同工況時燃燒室的工作特性進行了研究。應(yīng)