燃料电池发电系统尾气回热装置的设计与开发

齐宇博，张淑兴

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518124）

0 引言

燃料电池（fuel cell）是一种不经过燃烧而直接将燃料的化学能转化为电能的能量转化装置，与现有的发电技术相比具有更高的发电效率和更低的污染物排放，数十年来在世界范围内获得了大量的推广应用。在多种燃料电池中，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，以下简称SOFC）具有发电效率高、工作寿命长、无需贵金属催化剂、全固态结构不易腐蚀等优点，并且SOFC由于工作温度高，具有更广泛的燃料适用范围，SOFC逆用可电解高温水蒸气用来高效制氢，电解二氧化碳合成燃料气，未来应用的市场前景广阔[1]。

SOFC是新一代清洁、低碳的发电技术，被各国视为引领产业变革的颠覆性技术，获得广泛持续的关注和支持。从国际来看，主要发达国家的SOFC已迈过了产品生命周期的研发阶段和导入期，正步入成长期，并且发展势头良好。美国有多家SOFC的知名企业，其中Bloom Energy为典型代表已于2018年7月上市。该公司推出的固定电源产品功率主要为100kW～300kW，已获得苹果公司总部大楼4WM、马州医院4.1MW等大订单，累计出货量逾300MW。欧盟地区包括英国、德国、奥地利、芬兰、丹麦有多家SOFC研发企业，其中，英国的Ceres Power为典型代表。该公司产品功率为1kW～25kW，于2014年获得174台产品订单，后续逐渐向日产、本田、康明斯和博世等众多大型企业转让股份，市场不断扩大。日本是燃料电池产业发展最好的国家，SOFC典型代表企业有爱信精机、三菱重工等。产品功率以1kW级居民用热电联供居多，已累计销售约30万套。经过多年发展，国内SOFC产业技术已形成了一定的上下游产业链基础和核心技术积累，但整体上处于技术研发和产业导入期，技术水平与国际差距较大，产业配套不足，导致SOFC商业应用滞后于世界先进水平。产业链方面，国内已经开始出现从粉体材料、电堆到关键部件、系统集成供应商，虽然数量较少，尚未形成稳定的体系，但已经为产业化发展奠定了一定的基础。在核心技术和研究能力方面，国内已经建立以高校、科研院所为主的基础研究队伍和以企业研究院、新兴技术公司为主的应用技术研究团队，已初步形成了各具优势的技术力量，全面实现SOFC核心技术自主化时机和条件已经成熟[2]。

SOFC发电系统具体包括5个子系统：分别为电堆子系统、燃料供应子系统、空气供应子系统、尾气回收子系统和电控子系统。其中，关于尾气回收子系统，一个完备高温燃料电池发电系统必须配备一定的能量回收单元，通常由除电堆以外的其他辅助设备组成。其作用是：对尾气进行充分回收利用，提高系统效率；减少废气排放量，回收的尾气可以在燃料电池系统内部用于循环利用。在尾气回收子系统中，尾气回热装置是重要的设备之一，是完成热电联供必不可少的装置[3]。

本文是根据自主研发燃料电池发电系统的特殊要求，定制化开发的一种尾气回热装置。

1 开发要求

尾气回热装置是用于燃料电池发电系统高温尾气余热的回收。从热电联供要求上，该设备至少要回收300W的热量，以达到高于80%热电联供效率；从紧凑化安装要求上，该设备满足容量前提，尽量强化换热效率，降低换热面积，以减小设备体积和造价；从系统接口要求上，该设备必须设计为4进4出的接口，以便于接驳系统；从压损控制要求上，该设备必须将压损控制在低于150Pa，以缓解电堆出口压力对电堆密封造成不利影响；从系统绝热要求上，该设备宜能实现自绝热功能，减少保温材料的施用；从加工制造要求上，该设备必须便于加工制造，不应优先采用钎焊、扩散焊等复杂焊接技术，宜使用传统焊接工艺就能完成试制。

因此，该设备开发要分别满足容量、安装、接口、压损、绝热和制造等6条基本要求。本文正是在全面考虑该设备的开发要求，根据燃料电池发电系统需要，定制化设计和开发一款尾气余热回收装置。

2 结构设计

根据本文上一节的开发要求，拟采用300mm×300 mm×90mm制造规格，确保换热面积超过1m2。为强化气侧和水侧换热效率，气侧采用折流板式设计，水侧设置过流搅浑翼片，增大水的紊乱程度。同时，该设备的关键换热板面材料厚度为0.5mm，提高换热能力和便于制造，进行折中考虑。由于高温尾气含有较大量的水蒸气，热交换过程中会出现大量冷凝，因而设备在结构设计上要考虑冷凝水能及时排出。

经反复权衡利弊，该设备的最终结构定式如图1所示。

图1 设备结构定式Fig.1 Equipment structure and formula

3 仿真分析过程

3.1 计算依据

流体流动遵循质量、动量和能量守恒定律，控制方程是上述定律的数学描述，对应的控制方程包括质量、动量、能量和组分质量守恒方程。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程[4]。

连续性方程：

动量守恒方程：

其中，有效粘度定义为µeff=µ+µt，µt为湍流粘度。能量守恒方程：

其中，有效导热系数

当流动为层流时，湍流粘度tµ为零，上述方程是封闭的，只要给定初始条件和边界条件便可求解。

当流动为湍流时，上述方程并不封闭，需要引入湍流模型。湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、标准k-ε模 型、标 准k-ω模 型、SST k-ω模 型、RSM（Reynolds Stress Model） 模 型、LES （Large Eddy Simulation）模型等。湍流模型常用标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ω模型，它们是Reynolds时均方程法中的湍流粘性系数法，把湍流应力表达成湍流粘性系数的函数。

标准k-ε湍流模型主要是求解湍流动能k方程和湍流耗散率ε输运方程，并建立它们与湍流粘性系数μt的关系。k-ε模型假定流场是完全发展的湍流，流体分子间粘性可以忽略。因此，标准k-ε模型能够较好地模拟远离壁面充分发展的湍流流动，而在近壁面处对网格要求较高。其方程如下：

RNG k-ε模型在标准k-ε模型的基础上进行了改进，使得模型能够捕捉多个尺度的湍流扩散，从而扩大了其使用范围[6]。其k方程和ε方程可以写成如下形式：

表2 边界条件Table 2 Boundary conditions

SST k-ω湍流模型在近壁面保留了原始的k-ω模型，在远离壁面的地方应用了k-ε模型，可以更为广泛地应用于各种压力梯度下的边界层问题，对壁面网格适应性更好。其湍流动力粘度系数、k方程以及ω方程可以写成如下形式[5]：

其中，Ω为涡量，y为距壁面的距离，常数项设定a1=5/9，a2=0.44，β1=3/40，β2=0.828，β*=0.09，σk1=0.85，σk2=1，σω1=0.5，σω2=0.856。

图4 换热面换热量统计Fig.4 Statistics of heat exchange on the heat exchange surface

图5 静压场云图Fig.5 Cloud map of static pressure field

图6 温度场云图Fig.6 Cloud map of temperature field

3.2 边界条件和网格划分

数值计算过程要涉及流体和传热，首要关注材料设置和材料参数引用。本文考虑结合实际生产制造情况，选用304不锈钢作为计算输入，材料参数详见表1。

表1 材料主要参数Table 1 Main parameters of materials

电堆阳极燃料经过电化学反应，仍然残留部分可燃气体成分，再经后置燃烧器燃尽，因此数值计算要结合工艺设计和试验数据确定主要边界条件。

该算例共生成总网格数为406.2万，其中流体网格数为260.4万，固体网格数为145.8万，接触固体的流体网格数为110.5万，如图2所示。

图2 网格划分Fig.2 Meshing

4 仿真分析结果

经过883次计算迭代，各控制方程已收敛，换热器水侧出口平均温度稳定73.3℃，各尾气通道参数详见表3。

表3 监控参量数值Table 3 Monitoring parameter values

计算迭代次数与各目标值曲线如图3所示。

图3 监控参量变化曲线Fig.3 Monitoring parameter change curve

水流量10kg/hr，4个主要换热面的热功率分别为75.583W、81.127W、72.913W和78.441W，换 热 总 量达到308.1W，超出设计要求300W。

发电系统要求换热器压损尽可能低（＜150Pa），保证换热情况下尽量减少电堆出口压力，通过特殊折流结构设计，适当放大气体流道，通过数值仿真计算，设计压损仅为99Pa，只有全钎焊式板式换热器的20%。

在满足低压损要求前提下，尽可能兼顾现场管道接驳要求，便于现场施工和安装。同时，在水侧要设计特殊的均流或搅浑装置，以加大流体混乱程度，提高传热膜系数，增强换热效果。

5 结论

通过分析自研燃料电池发电系统的设计要求，明晰尾气回热装置的开发要求，提出尾气回热装置的结构定式设计。通过计算机仿真手段，开展传热、流动数值模拟，发现在一定结构设计下，能够符合设计开发要求。同时，依托生产制造和性能试验，取得满意效果。本文实践证明，通过计算机仿真模拟，能有效提高设计开发效率和降低研发成本，为下一阶段的优化奠定基础。