燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)值模擬與催化燃燒實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、從上個(gè)世紀(jì)末開(kāi)始,各國(guó)科研人員就開(kāi)始了對(duì)熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃?xì)廨啓C(jī)(MCFC/MGT)混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究。通過(guò)對(duì)這種新型的混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究,人們發(fā)現(xiàn)燃料電池/燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)所不具有的優(yōu)點(diǎn),其能量轉(zhuǎn)化效率和污染物的排放水平都達(dá)到了令人滿意的水平。因此,目前這種混合動(dòng)力系統(tǒng)已成為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的新能源技術(shù)。在本文中,旨先應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立了燃料電池及混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)電池和系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況、非設(shè)計(jì)工況的穩(wěn)態(tài)和

2、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。燃料電池的尾氣中有部分沒(méi)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(dòng)速度快等特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得在混合動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)中必需采用催化燃燒室。同時(shí),催化燃燒室的應(yīng)用還為混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料多樣化提供了必要的基礎(chǔ)。在對(duì)催化燃燒室進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)搭建了催化燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),列催化

3、燃燒進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。本文所做的工作為MCFC/MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了必要的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。木文主要在以下幾個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展。
　　 (1)燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立
　　 基于質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒原理和熱力學(xué)特性,考慮各種極化損失、傳熱形式及詳細(xì)的氣體特性,建立了熔融碳酸鹽燃料電池的數(shù)學(xué)模型。在模型的建立過(guò)程中考慮了熱力學(xué)和電化學(xué)兩個(gè)方面,考慮了電流密度場(chǎng)與溫度場(chǎng)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(xué)特性沿流動(dòng)方向的變化,合理的處刪溫度場(chǎng)和電流密度場(chǎng)、反應(yīng)氣體組分場(chǎng)的耦合關(guān)系。在熱力學(xué)模型的建立過(guò)程中不僅考慮了各種傳熱形式導(dǎo)致的熱量傳遞,同時(shí)也考慮了由傳質(zhì)所引起的能量轉(zhuǎn)移。在電化學(xué)模型的建立過(guò)程中,汁算極化特性時(shí)使用的是由實(shí)驗(yàn)回歸擬合數(shù)據(jù)。存對(duì)混介動(dòng)力系統(tǒng)的研究中,建立考慮了如此多參數(shù)洋細(xì)的燃料電池模型并不多見(jiàn)。詳細(xì)的燃料電池模型可以為系統(tǒng)特性變化時(shí)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(xué)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(xué)模型的求解速度實(shí)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(jìn)行了轉(zhuǎn)換,建立了適用于快速動(dòng)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(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)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(dòng)力系統(tǒng)模型建立及變負(fù)荷特性分析
　　 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮采用增壓犁MCFC

6、。由MCFC對(duì)工作壓力的要求及模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn),在本文中突破了傳統(tǒng)的基于MCFC的混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì),而是采用了基于現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。建立了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)模型,對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)大范圍工況變動(dòng)情況下的熱力系統(tǒng)特性、控制對(duì)象調(diào)節(jié)等特性進(jìn)行了研究,揭示出混合動(dòng)力系統(tǒng)特性變化的機(jī)理和規(guī)律。對(duì)系統(tǒng)采用不同的運(yùn)行方式時(shí)的非設(shè)計(jì)工況特性進(jìn)行了比較,分析了不同運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)的影響。對(duì)系統(tǒng)在啟動(dòng)、關(guān)機(jī)、負(fù)荷變化等的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。針對(duì)

7、所研究系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)機(jī)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進(jìn)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(dòng)到正常運(yùn)行及從正常運(yùn)行到關(guān)機(jī),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(dòng)關(guān)機(jī)。針對(duì)所研究的系統(tǒng),提出了詳細(xì)的啟動(dòng)關(guān)機(jī)步驟,并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)啟停過(guò)程中的特性進(jìn)行了研究,為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制與管理提供借鑒。
　　 (3)MCFC/MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)催化燃燒特性研究
　　 應(yīng)用數(shù)學(xué)的手段建立

8、了催化燃燒室的數(shù)學(xué)模型,所建立的數(shù)學(xué)模型是基于詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的分布參數(shù)的微通道模型,并將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,確認(rèn)了模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型,分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)在啟動(dòng)、設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)催化燃燒室的反應(yīng)特性及不同運(yùn)行參數(shù)和燃料成分對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)催化燃燒室的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在所搭建的催化燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況時(shí)燃燒室的工作特性進(jìn)行了研究。應(yīng)