第29卷第6期 水下无人系统学报 Vol. 29 No.6 2021年12月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2021
收稿日期: 2021-08-24; 修回日期: 2021-11-01.
97xoo基金项目: 中国博士后科学基金(227767).
作者简介: 王佳宾(1997-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为燃气轮机动力机械.
[引用格式] 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.
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 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)
摘 要: 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。 关键词: 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
中图分类号: TJ630; TK12 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2021)06-0659-08
DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.003
Optimization for Design of SOFC and Helium Xenon Brayton Double-
Closed Cycle Combined Power System Based on Metal Fuel
WANG Jia-bin 1, XU Hu 1, DONG Ping 1, GUO Zhao-yuan 2, ZHENG Qun 1
(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)
Abstract: To improve the thermal efficiency and duration of an air-independent propulsion power system, a dou-ble-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 sys-tem is established, and the output power is fixed at 100 kW. By analyzing the sensitivity influence of the main parame-ters 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 in-creasing 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 increas-ing the pressure ratio increases the power sharing ratio of the Brayton cycle, increases the thermal efficiency of the . All Rights Reserved.
2021年12月水下无人系统学报第29卷
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 de-sign. The thermal efficiency of the system is effectively improved.
Keywords: double-closed cycle combined power system; solid oxide fuel cell(SOFC); Brayton cycle; metal fuel; op-timization design
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
Table 1 Foreign AIP submarine technology 国别艇型燃料产氢方式AIP系统
德国216型甲醇重整催化燃料电池俄罗斯“拉达”级柴油重整催化燃料电池西班牙S-80A乙醇重整催化燃料电池
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
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
Table 2 Parameters of closed Brayton cycle system
模型温度/K 功率/kW 工质
叶轮直径
/cm BRU
1
144/294.4
6氦-氙10.80/12.62 SR-100G 1 400/514100氦-氙15.60/17.10 NASA-GRC 1 150/4002×50氦-氙—模型压比
转速
/(r·min–1)
流量
/(kg·s–1)
输出效率
/% BRU 1.9036 0000.361 1—
SR-100G 1.9245 000 1.300 024.57 NASA-GRC 2.0 45 000 1.850 028.06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。
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
控制器外壳. All Rights Reserved.
2021年12月 王佳宾, 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 第6期 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
22322Al 3H O Al O 3H +→+ (1)
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0.003 5%。
图2 铝水反应热负荷分析曲线 Fig. 2 Analysis curves of the heat release of Aluminum-
water reaction 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。
20
H O 0ohm conc act ln e e G
RT
E n
F n F V E V V V ⎧∆⎪=-+⎪⎨⎝⎭⎪⎪=---⎩ (2) 式中: 0E 为理想可逆电压;
G ∆为氢氧反应吉布
图3 SOFC 原理图
Fig. 3 Schematic diagram of SOFC 斯自由能; e n 为电子转移数; R 为气体常数; F 为法拉第常数; V 为实际输出电压; ohm V 为欧姆极化损失; conc V 为浓差极化损失; act V 为活化极化损失。
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/cm 2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
Fig. 4 Comparison curves of SOFC model verification
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。
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2021年12月 水下无人系统学报 第29卷
图5 氦氙比热计算曲线
Fig. 5 Calculation curves of He-Xe specific heat
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 *0*10.2911 2.3M μυμμμψρ⎛⎫
⎛⎫=+-⋅ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭混 (3)
式中: 0μ为黏度的加权平均值, 是与氦氙气体物性和气体混合比例相关的函数; *μ指代临界黏度, 同样为氦氙气体物性和气体混合比例相关的函数; μψ为依据试验数据[10]得到的拟合函数。该模型适用于温度范围为100~1 400 K 的环境中。将文中模型与文献[11]给出的氦氙动力黏度试验
数据对比, 结果如图6所示。其中, 程序模型与
论文数据误差在4%以内, 说明文中氦氙混合工
质的特性计算的可行性。
图6 氦氙动力黏度随温度变化曲线 Fig. 6 Curves of He-Xe dynamic viscosity versus tem-perature 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 Fig. 7 Curves of specific power and efficiency versus
pressure
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
Fig. 8 Design flow chart of combined power system
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 . All Rights Reserved.
2021年12月王佳宾, 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第6期
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
图9 固态能量布雷顿循环与SOFC联合动力系统示意图
Fig. 9 Schematic diagram of solid-state energy Brayton cycle and SOFC combined power system
响。文中用到的SOFC参数如表3所示。表中: L
表示电池材料厚度; γact和E act表示电极活化损失
参数; D表示计算浓差损失需要的参数; δA表征
固体材料欧姆阻耗常数。下标a、c、int、e分别
表示电池阳极、阴极、连接体和电解质。
表3 SOFC计算参数
Table 3 Calculation parameters of SOFC
参数值参数值
L a/μm 500 L int/μm 500
L c/μm 50 L e/μm 10
γact,a/(A⋅m–2) 1.49×1010 γact,c/(A·m–2) 2.13×108
E act,a
/[kJ⋅(kmol)–1] 1.1×105
E act,c
/[kJ·(kmol)–1]
水貂肉1.6×105
电容触摸按键D a/(cm2·s–1) 0.2 D c/(cm2·s–1) 0.05
δa A a 9.5×106δc A c42×106
δe A e 3.34×104δint A int9.3×1010电池堆设计40×50 单电池面积/m 0.1×0.1
QDFILM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
Table 4 Pressure loss parameters in NASA-GRC
部位压力损失/%
回热器热端 1.0
回热器冷端0.6
热源加热器 2.7
氦氙冷却器 1.0
表5 稳态系统初步计算结果
Table 5 Preliminary calculation results of steady-state system
参数数值
SOFC工作温度/K 1 200
电池燃料利用率0.85
SOFC功率/kW 50.98
布雷顿功率/kW 49.13
SOFC工作压力/kPa 600
氦氙压气机压比 2.4
效率/% 40.02
3d打印玻纤㶲效率/% 46.45
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