王佳宾, 徐 虎, 董 平, 郭兆元, 郑 群

基于金属燃料的SOFC/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统优化设计

王佳宾1, 徐 虎1, 董 平1, 郭兆元2, 郑 群1

(1. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院, 黑龙江 哈尔滨, 150000; 2.中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

为提高无空气推进闭式动力装置的热效率和续航能力, 建立了一种基于金属铝水反应的固体氧化物燃料电池(SOFC)/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统。首先建立了该系统的数学模型, 将系统输出功率设计为100 kW, 对系统主要参数进行了敏感性分析, 分析结果表明: 影响系统工况性能的主要参数包括SOFC的工作温度、工作压力和布雷顿循环压气机压比; 在固定系统输出量级的情况下, 提高SOFC的工作温度与压力增加了其工作效率和功率分担比, 对SOFC的增益影响大于对布雷顿循环的增益; 压气机压比的变化影响了布雷顿循环的功率分担比, 对SOFC效率也呈现先升高后下降的影响趋势, 总体看来, 压气机压比对布雷顿循环功率分担比的提高存在一个峰值。采用遗传算法对该系统的工作参数进行优化设计, 优化设计后, 系统总效率较原型设计提高了2.53%, 㶲效率较原型设计提高了2.55%, 有效提升了系统的热效率。

双闭式循环联合动力系统; 固体氧化物燃料电池; 布雷顿循环; 金属燃料; 优化设计

0 引言

通过水下氢氧的储存, 结合燃料电池、内燃机、外燃机、布雷顿循环等技术构造新式的水下循环, 实现无空气推进(air independent propulsion, AIP)技术是当前水下动力系统的重要发展方向。由表1的国外AIP潜艇技术[1-2]可以看出, 该动力系统燃料电池损耗低、噪声小, 具有极强的发展前景。但是, 现有AIP系统燃料电池所需的氢气燃料通常为高压气体储存或者高压重整催化产生, 氢的储存和产生设备通常体积较大, 占用动力空间较大, 导致整个系统的能量密度不高。所以, 提高AIP能量密度是水下动力系统优化的关键。

表1 国外AIP潜艇技术

在常见金属燃料中, 金属铝相对钠性质稳定, 相对铍污染性低, 相对镁能量密度高, 且铝水反应具有可观的氢气产量, 是高能量密度AIP系统氢燃料产生的新研究方向。为了降低铝水反应的难度, 可以通过高脉冲或添加氟化钠催化剂等方式。Eagle等[3-4]还提出一种水下混合铝燃烧器(Hybrid Aluminum Combustor, HAC)的动力系统, 概念图如图1所示。

在引入铝水作为燃料电池的氢燃料供应之后, 需考虑如何有效利用铝水反应释放的大量热能, 这部分热能可作为水下动力系统的另一种能源。闭式布雷顿系统可利用换热器吸收大量热能替代传统燃气轮机中的燃烧室, 对于金属燃料等非传统高密度燃料有着极强的适应性。表2给出了美国在发展闭式布雷顿循环中的3个计划模型[5-8], 主要面对深空探测需要, 能源以核能热源放热为主, 工质为氦氙混合气体, 由于氦气具有极高的比热, 加入微量氙气以后, 压缩性与空气类似, 当功率为100 kW时, 其压比相对较低(≈2), 压气机透平的叶轮直径也控制在20 cm之内, 减少了动力系统占用体积。所以, 这类高能量密度的闭式布雷顿循环设计可为设计同样需要较高能量密度需求的水下动力系统提供参考。

图1 水下HAC推进系统模型

Fig 1 Model of underwater HAC propulsion system

表2 闭式布雷顿循环系统参数

综上所述, 为满足水下航行中长航时、大航程、高能量密度的动力发展需求, 文中利用铝水反应的高功率密度优势, 与燃料电池和闭式布雷顿循环共同作用, 构造了一种适用于水下动力AIP系统的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)/氦氙布雷顿联合的双闭式循环动力装置, 并基于已完成的研究, 对联合动力系统进行进一步参数优化。

1 系统建模

1.1 铝水反应模型

铝水反应温度达到400℃以上会发生如下反应

反应中, 水氢消耗生成当量比为1, 利于闭式系统的建立。

铝水热力学数据大多来源于试验, 可通过FactSage Edu软件进行铝水热力学性能的计算。图2为软件计算得到的铝水模型热力学性能曲线。可以看出, 压力对铝水热力性能的影响可以忽略, 温度的升高会影响铝水放热能力。在工况发生改变时, 当温度从1 000℃降低到700℃, 放热能力提高约6%; 当压强从5 atm降低至1 atm时, 放热能力提高仅为0.0035%。

图2 铝水反应热负荷分析曲线

1.2 SOFC模型

SOFC工作温度在600～1 000℃, 电极和连接体采用耐高温的固体陶瓷材料, 可以承受铝水产生的高温水蒸气。SOFC工作原理和计算模型与一般燃料电池原理相同, 图3给出了SOFC单电池的工作原理。

图3 SOFC原理图

Fig. 3 Schematic diagram of SOFC

SOFC性能的计算需考虑到由于电极和浓度梯度等造成的损失, 较为复杂。文中模拟文献[9]给出的SOFC模型计算方法, 计算结果与试验结果对比曲线如图4所示。可以看出, 误差最大点出现在电流密度0.1 A/cm2处, 误差在6%以内。因此可见文中建立的SOFC模型是可行的。

图4 SOFC模型验证对比曲线

1.3 氦氙布雷顿循环模型

氦气具有极强的稳定性和极高的比热, 是最理想的闭式布雷顿循环工质。然而由于氦气的高定压比热和较小的摩尔质量(4.003 g/mol), 使其难以压缩, 压气机设计困难, 相应的循环换热设备体积较大, 难以适配水下动力装备。利用氙气高摩尔质量(131.3 g/mol)的特点, 如图5所示, Mohanmed[10]提出可以通过混入少量的氙气, 在保证混合气热物性质相对稳定的前提下, 降低氦氙混合气体的定压比热, 从而减小压气机叶轮半径, 缩小闭式布雷顿循环系统的动力体积。综合计算结果和当前研究, 40 g/mol的氦氙混合工质(氦气71.7%, 氙气28.3%)在闭式布雷顿循环中极具发展潜力。

图5 氦氙比热计算曲线

氙气密度过大(5.89 g/L), 因此氦氙混合物性无法用传统的Chapman-Enskog理论计算。文中基于Tournier等[5, 10]给出的半经验公式, 建立氦氙物性模型。为验证氦氙混合工质计算模型热物性的准确性, 选择动力黏度进行对比验证, 如下式所示

图6 氦氙动力黏度随温度变化曲线

Fig. 6 Curves of He-Xe dynamic viscosity versus temperature

图7所示为40 g/mol氦氙工质在不考虑部件损耗、固定循环温比下, 比功率和效率随压比的变化曲线。可以看出, 随着压比的提高, 比功率呈上升趋势, 随后上升速率逐渐减缓; 而效率则呈现先上升后下降的趋势。

图7 比功率和效率随压强变化曲线

2 系统设计

图8为文中方法设计流程图。通过自编程序搭建系统数学模型, 并在给定工况参数的情况下, 基于系统的耦合换热量与设定的系统总输出功率100 kW, 迭代计算得到稳态模型输出功率的系统参数分配, 最终通过遗传算法(genetic algorithm, GA)以系统热效率为目标函数完成整个系统的参数优化。文中构建的联供系统原理如图9所示。

图8 联合动力系统设计流程图

SOFC的设计需考量电池材料、电极厚度、电池堆设计等各方面对电池输出和能量耗散的影响。文中用到的SOFC参数如表3所示。表中:表示电池材料厚度;act和act表示电极活化损失参数;表示计算浓差损失需要的参数;表征固体材料欧姆阻耗常数。下标、、int、分别表示电池阳极、阴极、连接体和电解质。

H—铝水反应器; O—氧气发生器; C—氦氙压气机; T—氦氙透平; SOFC—固体氧化物燃料电池; B—后燃烧室;P—智能水泵; G—发电机; PH1—回热器; PH2—氦氙冷却器; PH3—加热器; PH4—蒸汽冷却器

表3 SOFC计算参数

另一方面, 电池堆单电池越多, 电流密度越低, SOFC输出性能越好, 但同时会增大SOFC的体积。为便于计算, 电池堆设计固定为40×50(串联×并联), 单电池面积设计为0.1×0.1 m2。

氦氙布雷顿循环作为闭式循环, 需要考虑工质循环过程所产生的压力损失。文中闭式氦氙布雷顿循环中的压力损失计算参照NASA-GRC(Gl- enn Research Center)计划[5,8]提出的压力损失参数进行计算, NASA- GRC计划中未提出的压损参数以1%计算, 如表4所示。根据设计经验, 设定压气机与涡轮的效率分别为75%和80%。工况参数初步设计参考前文的计算和参考文献中的数据, 计算得到初步设计模型结论如表5所示。

表4 NASA-GRC压力损失参数

表5 稳态系统初步计算结果

3 系统优化

3.1 优化参数分析和选择

文中主要对SOFC工作温度()、SOFC工作压力()和布雷顿循环压比()3项参数进行效率的优化和系统机理的分析。

工作温度会影响铝水放热量、SOFC输出性能和布雷顿循环输出性能, 而铝水反应器和SOFC系统串联在主循环中, 布雷顿循环基于热耦合并列在主循环下, 因此, 监测SOFC工作温度便可得循环重要节点的温度参数。SOFC工作压力主要影响SOFC的工作输出, 压气机压比主要影响布雷顿循环输出性能。

3.2 参数优化

利用参数优化函数搭建基于第2节建立的联供系统迭代计算模型。表6为参数寻优的范围。温度范围参考文献[12], 压力范围来自试验研究经验。

表6 参数设计范围

图10 参数敏感度分析曲线

联合动力系统以热效率为优化目标, 初代个体数为50, 复制率为0.95, 交叉率为0.7, 变异率为0.01, 遗传50代。从图11的优化结果可看出, 在遗传30代以后, 优化数据计算基本收敛, 最适个体温度为1 223 K, 压比为2.011, 压力为600 kPa, 最高效率42.55%。表7给出了优化前后数据对比, 系统效率提高了2.53%, 㶲效率提升了2.55%。

图11 GA优化结果示意图

表7 优化前后数据对比

3.3 参数分析

图12为SOFC工作温度对联合动力系统的影响曲线。在低温环境下, 其欧姆损失和浓差极化损失很高, 尽管低温环境可以提高能斯特电动势, 但此时SOFC实际对外输出的电压值很低。在联合动力系统中, 为了维持输出功率在100 kW, 布雷顿循环分担功率提升, 系统对热量的需求提高, 因此循环产生的氢气量提高, 导致SOFC系统效率下降。其中, 温度从1 023 K提高了100 K, 氢气需求量从0.687 5 mol/s降低至0.477 mol/s。图12中, 随着温度的升高, SOFC的电阻损耗降低, 所能持续输出的电压得到提升。因此, 其效率呈上升趋势。然而随着温度提高, 阻耗的损失逐渐难以抹平能斯特电动势的降低, 因此输出效率的提升趋于平缓。而在布雷顿循环中, SOFC工作温度提高10%, 会使得布雷顿循环温比提高1.13%, 布雷顿循环比功率提高2.76%。尽管工作温度影响联供系统各个节点耦合换热的计算, 但提高工作温度对布雷顿循环效率的影响并不明显, 仅约3%。总体来看, 工作温度的提高优化了SOFC工作环境, 提高了布雷顿循环温比, 进而增大系统的总输出效率, 但对SOFC的增益大于对布雷顿循环的增益。

图12 SOFC温度对联动系统的影响曲线

图13给出了氦氙压气机压比对联合动力系统的影响曲线。压比的提升主要影响布雷顿循环的输出性能, 对SOFC本体的工况没有影响。随着压比的提高, 布雷顿循环需求比热降低, 循环温比提高, 布雷顿循环比功率提升。在固定输出量级100 kW的情况下, 布雷顿循环流量降低, 需求总热随压比呈现先降低再升高的趋势。由于循环产生热主要由循环产生的氢气量决定, 因此SOFC的电流密度和电压受到了影响, 改变了其输出效率。

图13 压比对联动系统的影响曲线

如图13所示, 布雷顿循环输出效率随着压比的提高呈现先升高后降低的趋势, 这与图7中输出效率的变化趋势相同。在固定系统输出量级的情况下, SOFC效率也呈现先升高后下降的趋势。图13中最大提升率为3.05%, 最大降低率为4.03%。布雷顿循环压比从1.5提升至2, 布雷顿循环输出功率占比提高了2.16%。总体来看, 布雷顿循环压比对系统输出效率的影响存在一个峰值。图中, 温度参数1 123 K, 压力参数600 kPa, 压比峰值在1.9左右。

SOFC工作压力对联合动力系统的影响如图14所示。图中, 压力从400 kPa提升到600 kPa, 优化了内部气体分压, 进而提高了电池电压, 输出效率提高了5.21%。工作压力的提升对布雷顿循环效率的影响很低, 仅提高了0.082%。总体来看, 工作压力的提高优化了SOFC性能, 增大了输出效率, 对布雷顿循环没有过多的影响, 总体提高了系统的输出效率。

图14 SOFC压力对联动系统的影响曲线

4 结束语

为满足水下航行中长航时、大航程、高功率密度的动力发展需求, 利用铝水反应的高功率密度优势, 与燃料电池和闭式布雷顿循环共同作用, 构造了一种适用于水下动力AIP系统SOFC/氦氙布雷顿联合双闭式循环动力装置, 通过对该双闭式动力系统进行参数分析和系统优化, 得到以下结论。

1) 通过敏感性分析, 影响系统工况性能的主要参数包括SOFC工作温度、工作压力和布雷顿循环压气机压比。

2) 通过对系统各部件工作参数进行分析, 结果表明: 在固定系统输出功率为100 kW的情况下, 提高SOFC的工作温度与工作压力主要优化了系统的工作环境和热效率, 增加输出功率的分配比例, 对SOFC的增益大于对布雷顿循环的增益。而压气机压比的变化影响了布雷顿循环输出功率的分配比例, 导致主循环中电流密度、耦合热量等发生改变, 对SOFC热效率也呈现先升高后下降的影响趋势。总体看来, 压气机压比对布雷顿循环分担功率比例的提高存在一个峰值。

3) 文中通过GA对双闭式联合动力系统工况参数加以优化, 结果表明: 在固定系统输出功率为100 kW的情况下, 在SOFC工作温度为1 223 K, 布雷顿循环压气机压比为2.011, SOFC工作压力为600 kPa时, 系统输出效率最高为42.55%, 对比原型设计提高了2.53%, 系统㶲效率为49.04%, 较原型设计提高了2.55%。

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Optimization for Design of SOFC and Helium Xenon Brayton Double- Closed Cycle Combined Power System Based on Metal Fuel

WANG Jia-bin1, XU Hu1, DONG Ping1, GUO Zhao-yuan2, ZHENG Qun1

(1. School of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150000, China; 2. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To improve the thermal efficiency and duration of an air-independent propulsion power system, a double-closed cycle combined power system is proposed, which is based on the aluminum–water reaction and consists of a closed helium-xenon Brayton cycle and a closed solid oxide fuel cell(SOFC) system. A mathematical model of the system is established, and the output power is fixed at 100 kW. By analyzing the sensitivity influence of the main parameters of the system, it is found that the working temperature and pressure of the SOFC and the compressor pressure ratio of the Brayton cycle have a certain promotion effect on the output power of the system. The research found that increasing the working temperature and pressure of the SOFC increases the thermal efficiency and power sharing ratio of the SOFC system, and also influences the same parameters of the Brayton system. The research also found that increasing the pressure ratio increases the power sharing ratio of the Brayton cycle, increases the thermal efficiency of the SOFC system first and then decreases it, and the thermal efficiency peaks through variations in the compressor ratio. After optimization of the genetic algorithm, the thermal efficiency of the double-closed cycle combined power system is 2.53% higher than that of the prototype design, and the exergy efficiency is 2.55% higher than that of the prototype design. The thermal efficiency of the system is effectively improved.

double-closed cycle combined power system; solid oxide fuel cell(SOFC); Brayton cycle; metal fuel; optimization design

TJ630; TK12

A

2096-3920(2021)06-0659-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.003

王佳宾, 徐虎, 董平, 等. 基于金属燃料的SOFC/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统优化设计[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 659-666.

2021-08-24;

2021-11-01.

中国博士后科学基金(227767).

王佳宾(1997-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为燃气轮机动力机械.

(责任编辑: 杨力军)