固体氧化物燃料电池（SOFC）HOT-BOX设计与开发

郭树生

摘 要：自然界绝大多数流动和传热问题均可用数学公式来描述，方程是基于普遍的守恒定律得出，包括质量守恒、动量守恒及能量守恒。然而，这些方程组均为偏微分方程，仅在理论上存在唯一解。实际工程问题，计算域往往十分复杂，是不可能得到精确的解析解。近几十年来，逐步盛行的数值计算方法，借助计算机技术，使解决实际工程问题成为可能。本文借助计算流体力学（CFD）软件Ansys Fluent，利用数值计算技术，通过计算机数值模拟，对HOT-BOX进行设计和开发。

关键词：CFD;有限体积法;热箱

0 引言

SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）是一种实现燃料化学能和电能两种能量载体间高效转换的技术。常规发电技术因受卡诺循环限制，发电效率一般为30-40%，SOFC发电效率能达到60%，显著提高能源利用率。同时，SOFC又是一种清洁、低碳的发电技术，氮氧化物和烟尘排放接近于零，契合国际《京都议定书》和《巴黎协定》控制温室气体排放的环境公约。另外，SOFC的燃料适应性广，适用于甲烷、丙烷、氢气、一氧化碳、人工煤气、沼气、乙醇等常规燃气，借助现有化工、市政行业的基础设施，容易实现大规模商业应用。最后，SOFC发电技术应用范围广，在便携式电源、分布式热电联供、高性能动力电源和大型发电站均可实现应用。

1 SOFC发电技术简介

SOFC是一种电化学反应技术。在阳极，燃料化学键被破坏，化学分子变成游离原子，电子在电极电位的驱动下，通过外电路流向阴极，产生电流。在阴极，氧气共价键被破坏，急需俘获从阳极过来的2个电子变成稳定结构，在电位差和浓度差双重驱动下，通过中间电解（YSZ），到达阳极和2个质子结合，生成1个水分子。

日本是SOFC产业化最成功国家，我国起步较晚，当前尚未形成SOFC-CHP应用产品，市场还处于真空状态。

1999年，日本政府设立“新日光计划”，燃料电池作为新一代发电技术进入公众视野。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托日本燃气协会研制1kW质子交换膜燃料电池（PEFC）型热电联供（CHP）样机（PEFC-CHP）。随后，由松下电器、三洋电机和松下电工试制的3个1kW系统分别安装在东京、大阪和东邦3个煤气公司，并与实验住宅相配合进行测试。2000～2004年，NEDO进一步加快推进PEFC-CHP技术商业化，吸引荏原-Ballard、三洋电机、东芝、丰田、富士电机、松下电器、松下电工、三井物产、三菱重工和三菱电机等单位投入燃料电池研发。2004年，松下、东芝等公司陆续推出了自主研发的PEFC-CHP样机，功率均在1kW左右。东京燃气公司在2005年2月采用租赁方式向200个日本家庭提供PEFC-CHP系统，标志着日本家用燃料电池进入商业化试运行阶段。同期，具有更好性能的固体氧化物燃料电池（SOFC）的研发逐步增多。在SOFC型家用燃料电池热电联供（CHP）系统（SOFC-CHP）研发方面，吉坤能源公司研制的SOFC-CHP型家用燃料电池系统2011年正式进入市场，率先实现了SOFC的商业化运行。2012年3月，日本大阪燃气公司、爱信精机公司和京瓷公司合作推出SOFC-CHP系统有效解决了电池堆耐久性问题，产品于同年4月份上市。2016年4月，大阪燃气公司推出了新一代SOFC型家用燃料电池热电联供系统。

2009年，PEFC-CHP全面进入市场。2011年，SOFC-CHP全面进入市场。截止2017年4月，两种产品已累计销售20万套，其中PEFC-CHP占90%，2015年售价每套136万日元，约合人民币8万元;SOFC-CHP占有10%，2015年售价175万日元，约合人民币10.5万元。预计2020年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累计销售140万套，市场容量达千亿元人民币量级。2030年，PEFC-CHP和SOFC-CHP累计销售530万套，市场容量达五千亿元人民币量级。

2 问题来源

SOFC作为一种高度集成化的发电产品，各种零部件要压缩布置。SOFC电堆温度高达800℃，紧凑性布置必然要考虑SOFC电堆对周围部件和元器件热威胁问题，特别是PLC控制系统、电气元器件、电缆和仪表线等，这些电气化部件难以耐受超过40℃的高温。因此，在考虑产品高度集成化同时，分析机柜内散热问题，通过合理隔热设计、分区布置等，确保非机械器件的热安全显得尤为必要。

本文依然使用CFD技术，但采用ANSYS Icepak专业散热分析软件，对原始模型进行适当简化和假设，很好地解决了该问题。

3 计算模型创建

3.1 物理模型和假设

根据当前产品布置方案，总体分布为三层结构：

第一层为热区，主要布置电堆热箱、高温换热器、重整燃烧一体器，和高温管道;

中间层为過渡区，主要布置蠕动泵、空气鼓风机和低温热交换器、低温管道等;

最顶层为冷区，主要布置PLC控制系统。

关于管道热源假设：考虑高、低温管道均设置绝热保温材料，相比高温设备，其传热面积较小，对机柜内受限空间的热力场和流体场影响较小，可通过设备换热给予惩罚，包罗其影响。从另外一个角度考虑，简化管道传热计算，能够大大降低CFD计算模型的网格数，提高计算收敛性。出于上述两方面原因考虑，本报告不考虑机柜内管道的散热分析。

关于设备热源假设：SOFC电堆外表面温度取800℃（第1类边界条件），考虑其对周围设备的辐射换热;其他高温设备设计上要求考虑保温，限制设备外表面温度不超过50℃，因此，重整燃料一体器、高温换热器、低温换热器等外表面均保守取50℃。

关于机柜柜体假设：柜体为2mm厚的金属材料，实际上是存在一定换热能力，为获得保守的散热结果，本报告认为“柜体非通风区域，均为绝热边界条件，即第2类边界条件”。

关于柜体通风假设：采用ANSYS Icepak Grille模块Perforated thin vent模拟，开孔率取0.45，其中阻力系数（Resistance type）按照下式计算：

式中，F为开孔率。

3.2 计算模型和说明

根据对物理模型的简化和假设，采用ANSYS Icepak专业的热分析软件，进行建模，获得机柜内部计算域和计算模型为：

4 求解器与残差设置

4.1 自然对流

机柜内散热无风机、无强制对流。因此，存在自然对流情况，在求解器设置中，启用自然对流控制方程：

式中，ρg代表浮力项，因此必须要考虑重力。

4.2 湍流方程

本报告湍流方程采用零方模型，但对求解器中其他湍流模型也予以介绍：

Fluent中湍流模拟方法包括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。本文中主要运用到标准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。

4.3 辐射换热

本报告热模型相对较复杂，存在大量的辐射换热行为，如果选择S2S辐射换热模型或者光线追踪法计算辐射换热角系数，那么要求计算机有较大内存。本报告采用单位配置的员工笔记本，内存为8G，不宜采用S2S辐射换热模型或者光线追踪法，宜采用Discrete ordinates辐射模型。

4.4 残差设置

本报告连续性方程残差设置为0.001，能量方程殘差设置为1e-7，Discrete ordinates辐射换热方程设置为1e-6，Joule heating 设置为1e-7。迭代步数为500步，经计算，本算例表现出良好的收敛性，约200步时，已全部收敛。

5 计算结果与后处理

最高温度为800℃，为电堆表面温度。最低温度为20℃，为环境温度。机柜内部各空间温度大部接近20℃，这说明辐射换热和自然对流对柜体内的影响可控。选择电堆、电堆热箱、重整换热一体器和高低温换热器，高温设备表面温度50～100℃。对机柜切面进行分析，电堆温度最高800℃，100mm绝热材料致使电堆热箱表面温度低于100℃，典型取样温度为53.95℃。PLC控制系统冷区温度略高于环境温度20℃，因为计算模型考虑其绝热封闭，少数热量从导热板进入封闭空间，致使温度略增4-5℃，但仍然低于电气元件的耐受温度（40℃）。

计算表明：隔热板的设计能够保护低温区免收热空气袭扰。

在机柜底部平面放置500个失重粒子，观察柜体内热空气流动情况，计算结果表明：空气流动几乎围绕电堆热箱，说明在热箱附近有较强自然对流。此外，隔热板上部无空气流动，说明隔热板抵挡住热量传递，PLC封闭空间内受热非常均匀。到绝大部分温度分布于电堆热箱、换热器和重整器表面，绝热效果良好。

6 结论

通过计算模拟，采用10mm厚度普通硅酸铝纤维隔热板，能够有效地保证PLC机构冷区绝热。在实际操作中，通过PLC机柜增加散热孔低成本方式，更加利于受限空间热量扩散，强化该结论。有关仪表和电缆接线沿着四周布置，能够有效地保证自身安全性。此外，机柜内部大空间温度多集中于20～30℃，不会影响仪表安全使用。

参考文献：

[1]张兆顺，崔桂香.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]李宪人.有限体积法基础[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]曾攀，石伟，雷丽萍.工程有限元方法[M].北京：科学出版社，2010.