采用SOFC燃料电池的有轨电车动力系统

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SOFC和燃气轮机有轨电车动力系统

加拿大安大略工业大学Ibrahim.Dincer教授团队针对清洁轨道电车运输的要求，提出了一种新型的，基于直接氨气中温固体氧化物燃料电池（SOFC）和燃气轮机(GT)的集成系统。该系统能够提供旅客机车的所有能量需求。此外，集成系统可以分别达到71.0％和76.8％的最佳能量效率和?效率。这些值可与典型的基于甲烷的SOFC系统相媲美，并且氨的使用完全消除了二氧化碳的排放。

1.背景介绍

交通运输领域的燃料使用，目前被认为在当今世界的节能减排行动中占据十分重要的地位。例如，当前仍有不少轨道交通公司采用柴油发动机。而即使大多使用低硫柴油作为燃料，目前的选择离达到减排标准仍有较大的差距。一个较为可行的方式是采用替代燃料，例如甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢气等。其中，氨气将氢能作为化学能的形式储存在分子里面，与柴油相比，不仅更加环保节能，而且价格成本还更加便宜，是一个比较好的燃料选择。除此之外，氨气作为燃料使用还有许多其他的优点：1.氨气与其他的燃料相比，如甲烷，氢气，在空气中不易燃。2.如果氨气储存在金属氨化物中，其毒性将会大大降低，甚至低于汽油。3.由于其储存和运输给终端用户的基础设施的便利性，在短时间内，是一个非常适合市场化的能源。4.由于其具有特殊的气味，相比于氢气，更容易发现氨气的泄漏。5.其来源可以有许多途径，也可以通过一些可再生能源生产氨气，甚至可以通过水和空气中的氮元素来生产氨气。6.氨气拥有比较高的体积能量密度，从续航里程的角度计算，成本最低。7.氨气不是温室气体，被氧化之后也不会产生一些有毒有害的物质。8.氨气所储存的能量可以有多种释放方式：裂解制氢气，燃烧，与传统燃料混合，以及直接作为燃料电池的反应气体。

根据国际能源机构（IEA）的研究，氢是未来主流燃料。但是，当前的存储和运输技术离商业化还有一段距离。氨作为一种更加安全可靠的存储手段，具有独特的优势。

另一方面，燃料电池技术有多种类型，可为从军事到民用运输的各种应用提供广泛的服务，包括太空供电和备用电源管理。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）通常用于兆瓦（MW）量级的固定发电站。Martinez等人从SOFC对于阶跃变化的功率响应时间以及空间限制等问题，初步验证了SOFC应用于轨道交通的可行性。Ma等人通过实验比较中温SOFC使用氨和氢气时的特性。在℃的工作温度下，采用氨和氢气的SOFC功率密度分别为.1mWcm-2和.8mWcm-2。虽然氨气SOFC的功率密度略低，但由于其设备相对简单（无需安装燃料处理装置），可以节约很大空间。

本文提出了一种基于直接氨中温SOFC的性能集成系统。该系统能够提供四个方面的能量输出,具体包括电功率输出，氨气制冷，空调加热和交通工具上必备的热水供应。该系统首次提出将氨有机朗肯循环与直接氨SOFC系统的尾气集成在一起,并首次讨论了SOFC尾气作为有机朗肯循环时，亚临界和超临界条件的性能。该集成系统的优势在于，使用氨不会排放任何CO2，且无需传统碳氢燃料的所必须的车载燃料处理设备。因此,该集成系统有望降低SOFC系统的安装成本,且能够满足狭窄的空间限制。

2.整体系统

为了能够更好的说明这个系统的功能，下图是所提出的氨气SOFC-GT系统平面概念图。

图1完整的氨气SOFC-GT-ORC系统

氨是该集成系统的主要工作介质。在该集成系统中，SOFC和燃气轮机主要负责提供功率输出；其它子系统负责帮助提供更多功率输出，制冷/制热，及热水供应。氨在进入SOFC和燃气轮机的燃料气之前，在回热系统里面进行加热。同时，空气被空压机压缩，在空气回热器中进行加热，并通入SOFC的阴极。其中，并非所有的氨气原料都被消耗完毕，剩余部分氨气和空气在燃烧器中燃烧，并驱动燃气轮机旋转工作。通过燃气轮机的尾气则为两个回热器提供热量。

该集成系统可主要分成三个子系统：

1）氨有机物朗肯循环系统

该循环系统在高压和超临界条件下进行工作。首先，泵1通过涡轮2消耗能量使液氨达到比较高的压强。其次，液氨吸收来自SOFC-GT系统的热量并蒸发达到过热状态。而后，过热蒸气驱动透平2旋转做功，对外输出能量。最后，饱和氨蒸气通过冷凝器1被冷却。上述过程实现了一个朗肯循环。

2）水加热系统

水加热系统：使用泵2向加热器提供常温水，经过加热器的水能够升温到80℃左右。加热的热源来自于集成系统的尾气。

3）带换热器的氨气制冷系统

当制冷系统工作的时候，泵3首先工作，将氨气作为吸收剂，水作为冷却剂的氨水混合物通过热交换器预热之后送入发电机。在电机中通过吸收发电机产生的热量将两者分开，水会沿原路径经过蓄热器和扩张阀2原路返回，冷却剂蒸汽会通过冷凝器和膨胀阀1降低温度和压强，这个冷却剂最终可以通过吸收室内的热量达到冷却效果。

3.系统建模仿真

为了保证模型在运算过程中的准确性以及尽可能的简化模型，减少计算量，在这首先提出了如下的假设：

宏观假设：

1.整个系统过程都是稳定和均匀流动的过程；

2.设备装置的势能，动能，?变化太小可以忽略不计；

3.在连接不同部件中和换热器中的管道压力损失可以忽略不计；

4.空气和废气都可以看做理想气体；

5.标准环境温度和压力为k和kpa

微观假设：

1.所有的热交换器都是绝热的，不会从空气中吸收热量或者释放热量至空气中

2.所有的空压机都是绝热的，且等熵效率为80%

3.所有的透平都是绝热的，等熵效率为90%

4.燃烧室中反应完全进行，没有原料随着废气一起排放

5.在泵和膨胀阀，所有过程都是等焓变化的。

参照图1的系统结构图，可以得到以下的公式

1）质量守恒

2）能量守恒

3）熵守恒

4）?守恒

5）直接氨SOFC反应过程

其中引进了表示反应程度的参数U来代表氨气的反应百分比，??表示过量空气系数

6）SOFC的效率

6）SOFC的效率

7）质量分配比

8）氨气燃烧室中的反应

9）整个系统的能量效率

10）整个系统的?效率

4.结果与分析

在通过上面的热力学表达式建立了系统模型之后，首先需要设置一些基本条件参数如下所示：

表1初始条件参数设置

表2仿真各部分结果

最终得到的仿真结果如下：

1）子系统效率比较

图2各子系统的能量效率和?效率比较

从图中可以看出，?效率为18.3%，高于朗肯循环的10%的平均效率，这是因为其热源直接来源于SOFC，而不是通过冷凝器吸收热量供热。

2）过量空气系数的影响

图3过量空气系数对效率的影响

图4过量空气系数对功率的影响

增加压缩比会导致整体系统的能量和?效率呈非线性和抛物线趋势。这主要是因为布雷顿循环是空压机和燃气轮机的组合。优化后的压缩比为11.67，总能量效率为61.5%，总?效率为66.12%。在相同比例下，ORC能量和?效率局部最小，分别为16.7%和42.3%。这种减少是因为提供给循环的能量和?更少。另一个需要解决的问题是ORC在低压缩比下的?效率非常低。这是因为热量是在高温下提供的，发电量相对较低。然而，随着压缩比的初始增大，温度逐渐降低，导致功率产量处于同一水平，这就是压缩比为4.53时存在最大值43.0%的原因。在这一点之后，?效率降低，因为更少的能量供给循环。回到SOFC-GT子系统，这是在不同的空气压缩比下的能量和运动优化，但接近于综合系统。这个小的偏移表明SOFC-GT在集成系统的行为上占主导地位，而这个偏移是由于ORC。在空气压缩比为12.14时，对SOFC-GT进行优化，其能量效率和?效率分别为57.2%和63.5%。

3）ORC循环中蒸汽机压力的影响

图5压力对效率的影响

图6压力对功和?的影响

从图中我们可以看出，随着压力的升高，整体的工作性能都是有所提升的，ORC的改善是显而易见的，它使整体能源效率和?效率分别提高了2.46%和2.75%。这里，ORC工作液(氨)的压力增加超过了kPa的临界值。因此，建议将该ORC进行超临界操作。否则的话，当这个循环在客运列车上运行时，可能会出现一些安全问题。

4）氨气分配系数α的影响

图7α对效率的影响

图8α对功率的影响

从图中可以看到总体能源和?效率都和α呈现出线性趋势。分别从51.3%到55.3%，从63.8%和69.3%。集成系统的这种行为主要是由SOFC-GT子系统引起的。这是因为该参数可以提高氨SOFC系统的性能，以与之前公布的甲烷SOFC系统相媲美。能量效率和?效率线性提高，显示了SOFC-GT子系统在综合系统中的决定性地位。整体效率分别为47.8%~53.6%、56.3%和63.0%。随着该参数的增加，氨ORC的效率呈非线性变化。由于ORC输出功率有边际值，这种行为没有反映在整体性能中。但从图中可以看到当α值为0.时，ORC的能量效率达到最大值19.5%。当α值为0.时，ORC的?效率达到了19.5%。此后随着α的增加，?效率下降，这是因为排气温度的升高，但朗肯循环并没有产生足够的功率来适应这一增加。

5）小结

综合以上几个参数的分析，最终我们可以对这几个参数进行优化，为了是整个系统的效率最大化，几个重要的优化后的参数如下表所示：

5.结论与总结

作者提出了一种新型的基于直接氨SOFC的清洁铁路运输集成动力系统，并对其进行了热力学研究。作者考虑选定的工作点，然后进行参数研究并进行参数优化。综合以上讨论，得出以下结论：

01

整个系统的能量效率和?效率为可以达到58.7%和63.6%，并且不会有如二氧化碳之类的温室气体排放，这样可以满足行驶工具的能量需求。

02

系统输出功率的94.5%是由SOFC-GT子系统提供的，因此该子系统直接决定了整体集成系统的工作性能。

03

参数研究表明，改变SOFC-GT子系统的运行参数对综合系统整体性能的影响，比改变氨ORC燃气轮机的进口压力的影响更显著。

04

氨气的使用在效率方面具有优势，但对于客运机车来说存在一些风险。

05

集成系统的参数优化使系统的能量效率和?效率分别提高到71.0%和76.8%。这些值与典型的甲烷SOFC集成系统性能相当。