鉅大LARGE | 點擊量：3567次 | 2019年04月16日
熔融碳酸鹽燃料電池是目前燃料電池研究的主流之一
燃料電池直接從化學(xué)能（燃料）轉(zhuǎn)換為電能，具有效率高、污染小等優(yōu)點，近幾年來受到各方面的高度重視。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）在高溫下工作（約650C），可以利用排p氣余熱和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電，因而有更高效率，是目前燃料電池研究的主流之一。
以往對MCFC燃料電池研究取得了許多成果，Proect）2.85MW的MCFC演示工程，上海交通大學(xué)研究成功的15kW的MCFC和正在研究的100kW的MCFC等。盡管如此，作為新一代的能源系統(tǒng)，燃料電池工作機(jī)理的許多方面，無論是電化學(xué)反應(yīng)過程，還是熱量質(zhì)量傳遞過程，無論是電池內(nèi)部氧化劑、燃料的流動過程，還是燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都需要進(jìn)一步開展研究，只有在掌握規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能把這些過程組織好，使燃料電池真正能成為高效清潔的能源系統(tǒng)。
本文的重點是研究MCFC電池的動態(tài)特性。動態(tài)特性的探索不僅對燃料電池本身的溫度分布、流動狀態(tài)、性能變化規(guī)律的揭示是非常必要的，而且也為燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合形成混合系統(tǒng)提供必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文研究的MCFC模型的許多物理參數(shù)是從上海交通大學(xué)燃料電池研究所15kW的熔融碳酸鹽燃料電池得到。
MCFC的內(nèi)部特性單體的熔融碳酸鹽燃料電池一般是平板型的，由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成，見。
燃料電池的工作過程為：燃料流中的H2在陽）發(fā)生氧化反應(yīng)，和電解質(zhì)中的C3-離子作用生成H2O和C2，釋放出電子：+2e，氧化劑流中的O2在陰極（Cathode）和CO2作用，并捕獲電子，生成CO3-進(jìn)入電解質(zhì)：（1/2）O2+CO2+2eCO3-，然后CO32-游離擴(kuò)散到燃料流的Anode，補(bǔ)充消耗的CO3'Anode產(chǎn)生的電子通過外電路結(jié)ICathode，從而構(gòu)成了一個包括電子傳輸和離子移動在內(nèi)的芫整的回路。電化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度可以用單位時間內(nèi)電極板-電解質(zhì)上單位面積參加電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的摩爾數(shù)來表示，即電化學(xué)反應(yīng)率為可以看到電化學(xué)反應(yīng)過程伴隨著強(qiáng)烈的傳質(zhì)過程，上述工作過程已經(jīng)說明了O2、CO2、CO3-、H2O的流向。燃料流中每消耗2g物質(zhì)（瑪），就有60g（1/2O2和CO2）物質(zhì)從氧化劑一側(cè)進(jìn)入電極，形成CO3-，并穿越電解質(zhì)，進(jìn)入燃料流變成CO2和H2O，這個強(qiáng)烈的傳質(zhì)過程對燃料電池內(nèi)部熱力學(xué)特性的影響是顯著的。傳質(zhì)強(qiáng)度可以用質(zhì)量傳遞率來表示燃料電池內(nèi)的熱量產(chǎn)生和傳遞過程結(jié)合可以分析如下，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量包括電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和電流產(chǎn)生的電阻熱。電化學(xué)反應(yīng)熱主要是水的生成熱，單位面積電化學(xué)反應(yīng)熱為/mol；DS為生成水的熵變，/（mol.K）；7；為電極板-電解質(zhì)的平均溫度，K.單位面積電流產(chǎn)生的電阻熱為除了電化學(xué)反應(yīng)熱和電阻熱外，還有燃料流、氧化劑流帶入帶出燃料電池的熱量。下一節(jié)將建立熱量和質(zhì)量平衡方程，形成燃料電池動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
單體MCFC微元傳質(zhì)傳熱示意圖MCFC的動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型3.1概述在燃料電池內(nèi)部熱能傳遞的方式有：質(zhì)量傳遞引起的傳熱燃料和氧化劑流對電極-電解質(zhì)和隔板之間的相互對流傳熱電極-電解質(zhì)和隔板之間的輻射傳熱等。
在數(shù)學(xué)建模中假定電解質(zhì)基板與兩電極溫度相同；燃料電池固體外表面和周圍環(huán)境間無熱量傳遞即為絕熱邊界。設(shè)Pi、Cf、Wf分別為第i種物質(zhì)的密度、質(zhì)量熱容和克分子量，/=1，7依次對應(yīng)H2、CH4、CO、CO2、H2O、N2和O2這7種物質(zhì)。在燃料電池x處，取微元dx進(jìn)行分析（見、），根據(jù)質(zhì)量守恒和能量平衡原則有以下燃料通道、氧化劑通道、電極-電解質(zhì)和隔板的基本方程。
3.2燃料流微元方程質(zhì)量守恒方程表達(dá)為：流出微元dx的燃料流質(zhì)量G2a等于流入dx的燃料流減去分流進(jìn)入電極的瑪，加上由陽極來的CO2和H2O，即：守恒方程的基礎(chǔ)上可以建立能量守恒方程微元dx輸入能量由燃料流帶入熱量、C2和H20質(zhì)量傳遞從陽極帶入熱量、陽極與燃料流間對流換熱、隔板與燃料流間對流換熱等組成：W2由燃料流帶出熱量、H2去陽極帶走熱量組成：ydx%，由能量平衡求出燃料流微元方程燃料流的密度和質(zhì)量熱容；ea、為燃料流與電極-電解質(zhì)、隔板的對流換熱系數(shù)；Sa為燃料流通道高度。
3.3氧化劑流微元方程質(zhì)量守恒方程為流出微元dx的氧化劑流質(zhì)量Ac等于流入dx的氧化劑流減去分流進(jìn)入陰極熱量、陰極與氧化劑流間對流換熱、隔板與氧化劑流間對流換熱等組成微元輸出能量W2由氧化劑流帶出熱量、1/22和C2質(zhì)量傳遞去陰極帶走熱量組成W2=上積分，并令積分值為零，得到求解待定系數(shù)的常微分方程組（20個）。采用數(shù)值方法，利用Matlabsystemfunction壞境的功能函數(shù)，建立仿真模型，并進(jìn)行仿真試驗。
4.2動態(tài)仿真及分析燃料電池性能計算一般由電化學(xué)和傳熱傳質(zhì)兩類計算組成。電化學(xué)方面的計算，在已知溫度分布的條件下可求解電壓、內(nèi)阻值、電流密度的分布和燃料（反應(yīng)氣體）利用率的分布，初步計算時，溫度分布未知，往往先取一個常數(shù)；本文屬于傳熱傳質(zhì)方面的計算，而且把重點放在動態(tài)性能計算，以往的文章均為穩(wěn)態(tài)性能計算，國外MCFC的動態(tài)計算也未見詳細(xì)報道，這類計算在已知內(nèi)阻值、燃料利用率分布的條件下可求解工質(zhì)、電極電解質(zhì)、PT板的溫度分布，在初步計算時內(nèi)阻值、燃料利用率分布未知，先取為常數(shù)，然后計算出溫度分布，再用于電化學(xué)計算。這兩類計算交替進(jìn)行、相互補(bǔ)充、逐步逼近。
在計算時燃料電池整體初溫為600C，即作時，燃料流的入口流量Fa組份為H260%+CO220%+H2O15%整個仿真過程可分成兩個階段第一階段啟動過程，在第0s加入燃料和氧化劑，燃料電池開始工作，到從0.6上升到0.9mol/s從1.8上升到2.7mol/s電極-電解質(zhì)溫度T；-廣（燃料流溫度Ta-r隔離板溫度T；（a）燃料電池溫度特性（x=01）從從18上升到/電極-電解質(zhì)溫度7；燃料流溫度Ta隔離板溫度7；電池內(nèi)部各點的溫度穩(wěn)定，可以獲得啟動過程的仿真動態(tài)特性（050s）；第二階段燃料流量突變過程，在第50s燃料和氧化劑流量都階躍增加可以獲得燃料階躍變動引起的仿真動態(tài)特性）曲線。選擇入口（x=01），中旬（x=0.5）和出口（x=0.9）附近點進(jìn)行仿真研究，獲得相應(yīng)的溫度特性曲線見，從溫度特性曲線分析可得：（1）燃料電池內(nèi)部各點的溫度有較大不同。
在啟動過程，隨著x的增加，各點的溫度均有所提高，同一x時電極電解質(zhì)的溫度高于燃料流通道、隔板和氧化劑通道的溫度。入口處附近的溫度較低，出口處附近的溫度較高，啟動過程穩(wěn)定后，電極-電解質(zhì)的出入口附近的溫度差較大約2030C，燃料、隔板的出入口附近的溫度差較大約515C，氧化劑的溫度變動范圍小于2C.）隨著燃料和氧化劑流量的增加，電極電解質(zhì)的溫度有明顯的增加，當(dāng)燃料K和氧化劑兄增加1/3電極電解質(zhì)的溫度增加了515C，燃料、隔板的溫度略有增加，大約在1C范圍內(nèi)變動，氧化劑的溫度略有下降。這是因為燃料和氧化劑流量階躍增加，使電化學(xué)反應(yīng)率7也階躍增大，反應(yīng)熱增加，同時電流量增大弓丨起電阻熱增加，反映出電解質(zhì)~電極的溫度有快速增加的響應(yīng)過程；對氧化劑而言，7階躍增大，傳質(zhì)引起的1/2O2和CO2帶出熱量使氧化劑的溫度有突然下降的響應(yīng)過程；燃料、隔板的溫度小范圍變動，則是電解質(zhì)~電極、氧化劑等因素綜合引起的。）仿真模型中的溫度是x截面的平均值，溫度特性曲線上的溫度值也是平均值，實際上有些局部的溫度變動可能要大得多，如電極板上發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量，使電極板的溫度高于平均溫度，當(dāng)有燃料量突然增加時，電極板瞬時的溫度要比電極電解質(zhì)平均溫度高得多；而由于氧化劑流的溫度較低，電極板的溫度低于平均溫度，當(dāng)有燃料和氧化劑量突然增加時，由于質(zhì)量傳遞，引起電極板瞬時的溫度要比電極電解質(zhì)平均溫度低得多，這種現(xiàn)象已經(jīng)在實際試驗中得到了證實。
5結(jié)論燃料電池內(nèi)部各點的溫度有較大的不同，燃料電池內(nèi)部復(fù)雜的質(zhì)量傳遞是引起熱力學(xué)溫度特性變化的重要因素之一。
對于燃料和氧化劑同向輸入的順流型，入口處的溫度較小，隨著入口距離增加，電極-電解質(zhì)、燃料流和隔板的溫度均增加其中電極-電解質(zhì)的溫度增加顯著，但氧化劑流的溫度幾乎不變。
燃料和氧化劑的輸入量變化引起的動態(tài)特性是復(fù)雜的，隨著輸入量增加，電解質(zhì)-電極的溫度明顯增加，氧化劑流的溫度有所下降。
