固体氧化物燃料/电解电池氢峰电站辅助设备的动态特性研究

© 2014年。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9（2014）82 - 872014年环境系统科学与工程SOFC/SOEC氢峰电站辅助设备动态特性研究Jarosáaw Milewski*，Arkadiusz Szczánoveniak，Janusz Lewandowski华沙理工大学热能工程学院，地址：21/25 Nowowowiejska Street，Warsaw 00-665，Poland摘要本文介绍了固体氧化物燃料/电解电池氢峰电站所选辅助设备的0维模型，即：氢气压缩机、高温热交换器和水泵，其已经根据适当的可用实验数据进行了校准。基于灵敏度分析的指导方针，这些设备的设计和操作的陶瓷燃料电池，电解槽，和压缩氢气罐的操作。© 2014由Elsevier B.V.发布 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：SOFC; SOEC;储氢;动力学1. 介绍关于温室气体排放[8，36，9]和化石燃料储量枯竭的环境问题已经推动了对替代清洁能源的重大研究和开发。燃料电池呈现出非常有前途的技术[4，13，17，24，29，34，28，15，27，32]，主要是因为它们的发电不是基于需要工作剂的热机。通过将燃料电池与燃气轮机结合，可以获得额外的好处[6]，理论上可以实现非常高的效率-超过70% [5，25，35]，而温室气体问题可能会通过使用替代燃料* 通讯作者。联系电话：+0-000 -000-0000 ;传真：+0-000 -000-0000。电子邮件地址：author@institute.xxx。2212-6678 © 2014由Elsevier B. V.发布 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审Jarossiaw Milewski等人/ IERI Procedia 9（2014）8283l [21]或生物燃料[12]。目前，电力不能大量储存，因此，在任何给定时刻，电网中的发电机和消费者之间必须保持平衡。这意味着发电厂（主要发电厂）必须密切关注需求的变化。支持来自高峰发电厂（主要是燃气发电厂）和水力抽水蓄能发电厂。峰值存储发电厂的特点是相对低的效率和非常昂贵的燃料（天然气或石油）。抽水蓄能电站的建设受到地质条件的限制，因此可能的地点在很大程度上受到限制。在低需求时以化学能（氢[38，31，11]）的形式存储电能并在需求高峰时段发电的工厂将是一个有趣的替代方案。这类系统将具有许多优点，包括显著的排放减少（实际上没有排放）和高效率。储存的氢气将用于高温固体氧化物燃料电池的反应。氢是一种有前途的燃料，因为（i）没有有害物质的排放，以及（ii）它具有每质量单位的最高热值。为了确定这些系统的能力，确定其运行参数及其主要元件（如SOEC和SOFC）和存储的性能至关重要。由于系统的运行将是周期性的，因此有必要对特定要素进行动态分析。作者以前发表的论文涉及系统的主要元件（电解槽，燃料电池，储氢罐）的检查。在此基础上，确定了系统的优化配置，包括主要元件和辅助设备。辅助设备的好坏直接影响到整个系统的运行和效率。建立了水泵、换热器、氢压机等辅助设备的动态模型。1.1. 氢气压缩机氢的原子质量是所有物质中最小的，重量密度极低[16]。这意味着在温度15摄氏度和压力100千帕下，1千克氢气占据的体积等于12.3立方米，即，需要适当改进的压缩机来压缩氢气。最常用的压缩机类型，特别是用于压缩氢存储的压缩机，有： 往复式压缩机-最流行的压缩机类型。流体压力的增加是由于活塞在气缸中的滑动运动而发生的， 隔膜压缩机-与往复式压缩机相比，活塞与活塞分离，压缩室通过隔膜。这意味着压缩气体不会与任何润滑部件直接接触。因此，压缩机是非常密封的， 离心式压缩机-工作介质被吸入旋转的转子，然后被排出。离心力文献中报道了氢气压缩机建模的选定问题。大多数论文只包含简化模型，主要用于配备压缩机的系统的经济分析[20，18，26]。[18]中提出的模型用于所选炼油厂的氢气分配网络优化。在本文中，有一个安装包括各种类型的压缩机（往复式，离心式和螺杆式压缩机）在拟议的系统的经济评价。该文件不包含有关所检查压缩机的详细信息。论文[41]提出了一种混合系统中的制氢模型，该混合系统包括风力涡轮机、电解槽和燃料电池。模拟的辅助设备之一是氢气压缩机。该论文没有包含关于它的详细信息，但仅给出了氢气摩尔流量和所需压缩机功率之间的一般依赖关系。84Jarossiaw Milewski等人/ IERI Procedia 9（2014）821.2. 氢气高温换热器有关高温换热器的建模问题，在一些文件中进行了分析。在[30]中，提出了选定的传热问题，当温度超过850℃和压力范围100…500巴陶瓷热交换器（见图1）的应用和检查这些操作参数。本文不包含这种热交换器的细节，除了未来的计划和选定的无量纲数。作者建议在如此高的温度下忽略材料的导热系数。为了为高温电解提供适当的热管理，提出了一种热交换器系统。该系统分为低温、中温和高温热交换器[23]。本文提出了根据无量纲数确定传热系数所需的数据。热传导现象不包括在该分析中。[40]中描述了用于对高温热交换器进行建模的另一种方法。本文研究了两种不同类型的换热器：烟气/空气和烟气/燃料。在文献[19，10，22，39]中报道了模拟高温热交换器的其他尝试。1.3. 高压泵高压水泵的性能在文献和制造商的目录中有报道。[7]提供离心水泵;扬程为950 m，最大流量为1，150 m3/h。制造商[1]提出了一种带有液压致动隔膜的高压泵。允许流感的范围是10. 6 0 ℃，最大每泵流量为5 m3/h。水泵的数学模型在几篇论文中有报道，例如，[37]建立了矿井排水水泵系统的数学模型。该模型是基于FORTRAN语言开发的，并用于模拟矿井排水过程中的瞬态水力过程。高压水泵建模的另一种尝试见[14]。分析了光伏电池驱动水泵的效率。仿真结果与实验数据进行了验证。验证模型被用来调查各种配置的光伏电池以及泵头。本文不包括所研究泵的详细数据或确定系数的方法。2. SOFC/SOEC氢峰电站辅助设备动态模型2.1. 氢气压缩机型号（以Elliott 15 MB压缩机为基准）在Elliott离心压缩机的基础上对模型氢气离心压缩机进行了标定15 MB [3]。所选压缩机的配置与美国俄克拉荷马州瓦莱罗炼油厂安装的压缩机相同[33]，并确定了其性能特征。给出了11，070 rpm时压缩机效率和压头随流量的变化。在检查期间，压缩机被供给具有高氢含量的气体混合物：92.2%摩尔分数。基于从文献研究中获得的压缩机特性，使用可用软件[49]开发了一个模型。模拟结果与实验数据进行了比较[33]。模拟结果与实验数据之间没有显著差异。热交换器型号（基于Catacel公司生产的HEP Heat Exchanger Platform）热交换器型号基于Catacel公司生产的Heat Exchanger Platform（HEP）进行标定。热交换器尺寸为3.8 × 3.8 × 31 cm，质量为？0.4 kg。被检查设备的最大功率为2.5 kW，而最大允许流体温度为900℃。所选换热器的实验数据与空气作为工作介质有关。获取了换热器的相对详细的模型，并在现有的Jarossiaw Milewski等人/ IERI Procedia 9（2014）8285数字环境[52]。通过调整换热器的几何参数和材料参数，使之与实际换热器的已知参数相一致，以保持换热器的传热面积和体积。在此基础上，建立了与原换热器尺寸非常接近的圆形管壳式换热器模型。2.2. 水泵型号（基于过程隔膜泵LEWA triplex）该系统选择了LEWA三缸隔膜泵。这是一款采用单块设计的液压驱动过程隔膜泵。所选泵头（M800）具有特殊的隔膜夹紧几何形状，可实现高达1，000 bar的高排放压力。最大允许流体温度为-10° C。60℃，最大流量为5m3/ h/扬程泵。根据可用的性能曲线，在可用的软件中开发泵模型[58]。3. 讨论3.1. 氢压缩机氢压缩机模型用氢和水蒸气（0.124%H2O）的混合物检查。同时，对操作点进行了拟合，以确保装置的最大效率。这导致压力增加119至129巴，而压缩氢气为5.5 kg/s，设备消耗的功率为787 kW。压缩机被设计成将氢从燃料电池出口再循环到燃料电池入口，因此不需要高压缩比（1.08）。3.2. 热交换器在此基础上，对蒸汽/氢气回热式换热器进行了模拟。传热系数（U）根据文献研究[23]估算为130W/m2/K。其他设计参数保持不变。热交换器的模拟操作用于热再循环，即，同时冷却氢气并加热供给电解槽的水（蒸汽）。所检查的辅助设备项目设计用于氢峰电厂，因此它们将以两种模式运行：加载和卸载。进行了传热模拟，其中检查了从静止状态（约定为标称流量的10%）到操作状态的瞬态。图1显示了与停堆相关的瞬态变化（流速降低90%）期间的热交换器测试结果。稳定的温度发生在ca。100次操作。静止模式和运行模式（流量增加90%）之间的瞬态模拟结果如图2所示。热交换器的温度在ca之后稳定。25秒操作4. 总结建立了SOF/EC氢峰电站辅机的一维动态模型。根据已有的实验数据，对所提出的氢压缩机、高温换热器和高压水泵模型进行了标定。在动态模式下对一些元件进行了测试，以满足系统要求。氢气压缩机模型基于Elliott 15 MB单元进行校准，并给出最有效的操作点。热交换器在与启动和关闭有关的瞬态变化期间进行测试。由于假设高压水泵持续运行（无压力变化），因此无需模拟机组的动态行为基于86Jarossiaw Milewski等人/ IERI Procedia 9（2014）82通过分析，确定了辅助设备的主要参数，并选择了合适的实际装置，用于高温固体氧化物燃料/电解槽与高压储氢罐的配合运行。锡，热，°C锡，冷，°C Tout，热，°C Tout，冷，°C90080070060050040030020010000 50 100 150 200 250300时间，秒9008007006005004003002001000锡，热，°C锡，冷，°C Tout，热，°C Tout，冷，°C0 50 100 150 200 250时间，秒图1流量下降至标称流量图2.流量增加90%致谢该项目由国家科学中心提供资金，并获得第DEC- 2012/05/B/ST 8/02849号决定的批准。引用[1] ：LEWA过程隔膜泵，2013年。[2] ：[3] ：Multi-Stage Centrifugal Compressors，2013.[4] M. Amirinejad，N. Tavajohi-Hasankiadeh，S.S. Madaeni，文学硕士Navarra，E.拉菲湾Scrosati：“基于纳米复合材料和重铸Nafion膜的质子交换膜燃料电池的自适应神经模糊推理系统和人工神经网络建模”，国际能源研究杂志，第2009年，第100页。347-357，2013。[5] D.P. Bakalis，A.G. Stamatis：607-617，2013。[6] L. Bartela，J. Kotowicz：137-159，2013年。[7] 布莱恩·奥查德：高压节能脱盐，2007年。[8] W.M. Budzianowski：“2300年前大气中二氧化碳含量的模拟：国内生产总值能源强度和能源碳强度的影响”，《国际全球变暖杂志》，第100页。2013年1-17日[9] R.查卡特吉湾Monje，D. Sánchez，J.A. Becerra，S. Campanari：453-461，2013。[10] Xin Gao，Søren Juhl Andreasen，Min Chen，Søren Knudsen Kær：8490-8498，2012。[11] D. Grondin，J. Despermont，P. Ozil，J.- P. Chabriat，B. Grondin-Perez，A.论文集：134-140，2013年。自1996年以来（[12] C. Guerra，A. Lanzini，P. Leone，M. Santarelli，D. Beretta：10559-10566，2013。温度，°C温度，°CJarossiaw Milewski等人/ IERI Procedia 9（2014）8287[13] S.A. Hajimolana，S.M. Tonekabonimoghadam，M.A. Hussain，M.H. Chakrabarti，N.S. Jayakumar，M.A. Hashim：320-329，2013。[14] A Hamidat：383-392，1999年。[15] E.侯赛因扎德Rokni，M. Jabbari，H. Mortensen：6664-6674，2014。自1996年以来[16] Jan Surygala：Wodor jako paliwo. Wydawnictwo WNT，2008年。[17] E. Jannelli，M. Minutillo，A. Perna：82-91，2013年。[18] N. 贾韦里湾Mohanty，S Khanam：国际氢能杂志，pp。339-348，2013。[19] Gayatri Kuchi，Valery Ponyavin，Yitung Chen，Steven Sherman，Anthony Hechanova：5460-5468，2008年。[20] A.库马尔湾，澳-地Gautami，S. Khanam：3763-3772，2010。[21] J. Kupecki，J.Jewulski，K.Badyda：应用力学与材料，pp。53-56，2013年。自1996年以来（[22] Ryno Laubscher，Robert T Dobson：259-267，2013。[23] ChristineMan silla，JonSigurvinsson，AndréBontem ps，AlainMa réc hal，FrancoisWerk of：423-430，2007年。[24] D. Marra，M.索伦蒂诺角皮亚内塞湾Iwanschitz：320-329，2013。[25] D. McLarty，J. Brouwer，S. Samuelsen：[26] 考虑压缩机数量的炼油厂氢气分配系统的优化：和Yu，Z.和Feng，X.和Liu，G.和Deng，C.和Chu，K. H."，Energy，pp.185-195，2013年。[27] J. Qian，Z. Tao，J. Xiao，G.姜，W.小刘：“通过脉冲激光沉积以氧化钇稳定的氧化锆作为电子阻挡层的二氧化铈基固体氧化物燃料电池的性能改进”，国际氢能杂志，第2004 - 2009页。2407-2412，2013年。自1996年以来[28] O.拉兹巴尼湾Assadi：581-586，2014。[29] S. Sieniutycz，J. Jezowski：过程系统和燃料电池中的能量优化。2013年。[30] Jon Sigurvinsson，Christine Mansilla，B Arnason，A Bontemps，Alain Maréchal，TI Sigfusson，F Werkoff：3543-3551，2006。[31] J.P. Stempien，Q.孙先生Chan：647-657，2013。[32] D.桑切斯湾蒙杰河Chacartegui，S. Campanari：394-405，2013年。自1996年以来（[33] 氢循环压缩机现场性能分析，2005。[34] S.- B.王角F.吴，S- F. Liu，P. Yuan：[35] W. Wang，H.李，X.-F. Wang：大连理工大学学报/大连理工大学，第103页。653-658，2013。[36] J. - H. Wee：178-191，2014。[37] W. Xu，C.高军，刘伟.王：464-469，2012。[38] A. Zamaniyan，F. Joda，A. Behroozsarand，H. Ebrahimi：6289-6297，2013。[39] 曾敏，马婷，孙登，穆罕默德B Trabia，王秋旺：886-895，2013。[40] 张惠生，王立进，翁世烈，苏明：282-294，2008年。[41] T.周湾Francois：2008年21-30日