文 | 咸鱼永不放盐
编辑 | 咸鱼永不放盐
«——【·前言·】——»
在燃料电池中，电化学可直接转换为电能，并且不需要通过热能进行中间转换步骤。因此它们不受卡诺循环的限制，燃料电池的理论电效率可达到较高的值。
一种有前途的燃料电池是固体氧化物燃料电池，其中发生了高温操作。SOFC具有各种应用，从便携式电源到自主站点电力厂。它们的优势主要在于将燃料化学能直接转换为电能的高效率。
在这种情况下，任何碳氢化合物都可用作燃料。特别是固体氧化物燃料电池为各种气体和液体提供了高燃料灵活性，例如 甲烷、乙醇、甲醇、丙烷、液化气、柴油、DME、氨 等。
许多调查系统涉及使用外部重整装置与SOFC结合使用。因此，在船用动力装置中广泛使用的液态燃料的限制主要取决于重整反应器的可操作性和效率以及其对硫化合物的灵敏度。
此外，电化学燃料氧化提供了发电过程的高环境友好性。它允许将SOFC与燃气轮机结合使用，在混合循环中产生电力和热能。这些混合循环将与传统复杂循环竞争，因为整个系统的电效率可能达到70%或更高。
«——【·固体氧化物燃料电池运作·】——»
固体氧化物燃料电池与燃气轮机的混合系统的效率几乎不受规模影响，并且已经在交付功率为1千瓦时的情况下实现了50-60%的效率。
例如西门子威斯汀豪斯公司开发了一种压力型 220千瓦SOFC-GT混合系统， 采用管式SOFC堆。该系统被设计、建造和测试以证明这种混合概念，在加利福尼亚大学欧文分校的国家燃料电池研究中心运行 至少3000小时。
而燃料电池在船舶工业中可以有各种功率输出的应用。与传统内燃机和燃气轮机相比，燃料电池具有显着更高的效率。
然而，特定要求和某些技术问题限制了燃料电池在海洋工程中的应用。目前，许多用于船用动力装置的燃料电池仍处于研发和示范阶段。
几乎没有SOFC占船上能量转换最大份额的船用动力装置设计。可用文献中提到的所有研究都集中在使用SOFC作为辅助电源单元，或最多作为以柴油机为主要构成的混合系统中的次要元素。
液化天然气船舶基础设施的进展正促进使用天然气或燃料电池技术的发展。因此，荷兰国家GasDrive项目将开展开发海洋LNG燃料SOFC组合系统的工作。使用低硫柴油、甲醇、氢气和液化天然气作为燃料来驱动燃料电池。
燃料重整器将机载煤油燃料转化为H2和CO。Fernandes等人对气化器的SOFC系统进行设计、开发和测试研究成果，并用作处理8.84千瓦废弃物的等离子体反应堆。
我们注意到，等离子体技术不仅可用于各种碳氢化合物的气化，还可用于有效地处理燃料电池排放气体的后燃烧。
于是要以基于膜的重整反应器以及燃烧器反应器产生氢气方案，并进行数值研究。在德国，宇航中心的大气燃烧器试验装置中对示范SOFC系统的燃烧行为进行了研究。同时还测试了低热值燃料的火焰稳定策略。
将燃气轮机和燃料电池连接在一起用作相同的燃料消耗，可以产生比单独运行这些设备更多的有用能量。
船上采用燃料电池技术将首先替换辅助发电站。在本文中，我们提出了一种新的辅助混合SOFC-GT海洋系统方案，通过使用创新解决方案： 过度膨胀运行的再生式燃气轮机，可以降低SOFC堆内的工作压力。
首先，将描述动力系统燃气轮机部分的数学模型；然后介绍混合SOFC-GT系统的热力学效率分析结果，并分析SOFC尾气在燃气轮机燃烧室中的燃烧可能性。
对于混合SOFC-GT系统的燃气轮机，不能像燃气轮机发动机设计中做的那样接受燃气轮机进口温度T3T。这个参数值将由工作模式下SOFC堆入口超热空气温度T1S、再生系数r和压缩比πc的给定值确定。
其中，gFc是燃烧器中相对燃料消耗量，TS是SOFC堆的工作温度，L|0是SOFC阴极出口的贫氧空气的化学计量量，Hu是SOFC阳极出口气体混合物的低位发热值，ηCo是燃烧效率，cpα=1是在燃烧器中过程温度T2Comb下化学计量产物的平均质量等压热容，cpSA、cp2A分别是在SOFC堆进口和燃烧器中过程温度下的空气的平均质量等压热容。
其中，cp3A、cp3G是超热器中空气和燃烧产物的平均质量等压热容，cp4A、cp4G分别是再生器中空气和燃烧产物的平均质量等压热容， T2是压缩机出口处的空气温度，T4是排气温度。
SOFC堆计算得到的压缩机、涡轮机和排气机的功率分别是燃气轮机的压缩比（πC）、排气机压缩比（πE）和放气比（πT），ηC、ηE、ηT分别是压缩机、排气机和涡轮机的内部绝热效率。cp1A、cp4A、cp4G分别是压缩机、排气机和涡轮机中处理空气和燃烧产物的平均质量等压热容。
燃气轮机部分开发的数学模型的适当性已通过用制造商发布的数据进行数学建模获得的再生循环的微型涡轮机的计算参数令人满意的一致性得到证实。在表1中呈现了三个Capstone燃气轮机单元 C30、C65和C200S 在额定运行模式下的验证结果。
在这里，以西门子威斯汀豪斯管式SOFC堆设计为基本元件。表2总结了燃料电池模型所做的假设。SOFC堆的效率是根据低位热值 为44000 kJ kg−1的关联气 来估算的，计算所采用的关联气组成如下：
CH4 = 73.7，C2H6 = 6.1，C3H8 = 6.7，C4H10 = 7.79，N2 = 4.37，CO2 = 1.34。
这是一个适合于浮式生产、存储和卸油船的关联气。
数学建模的结果显示，现有的60-200 kW微型涡轮机，可以在燃气轮机压缩比为2.0-2.2，排气机压缩比为1.3-1.4的最佳值下，获得约55%的混合方案效率。
由考虑的SOFC-GT系统直接将所有燃料能量转化为电能的效率为46.24%，使用过扩展的混合SOFC-燃气轮机方案可以将发电效率提高约19%。此时，燃气轮机进口温度为1050-1090 K。
在上述最佳方案参数下，每个堆可以获得额外27.5-27.7 kW的燃气轮机功率，使得整个复合系统的最大总电功率达到约174.0 kW。
与传统燃气轮机工程中通常使用的能源系统不同，所提出的超扩张再生式燃气轮机可以显著降低最佳压缩比至1.95-2.2，而目前广泛使用的Capstone C30、C60和C200S再生燃气轮机引擎的压缩比为3.5-4.2。
考虑到传统SOFC-GT循环中对于考虑的初始参数而言的最佳压缩比约为2.7，使用超扩张涡轮将该值降低至1.95，即减少了27.8%。
这简化了燃气轮机引擎的压缩器部分，增加了再生器的可靠性和寿命。然而，在考虑的混合循环中，循环中最佳压力的降低对燃料电池的性能、可靠性、重量指标和寿命影响最为有利，因为这可以降低工作流体泄漏的潜力，并简化燃料重整系统的设计。
使用压缩比为1.4的排气机可以将燃气轮机进口温度降至1068 K，这实际上证明了没有昂贵的涡轮叶片冷却系统的存在，并简化了其操作。
排气机的存在增加了燃气轮机部分的效率约2.1%，因此SOFC-GT循环的效率增加了0.37%。在SOFC-GT方案中使用排气机增加了燃气轮机中的可用热降，并导致其功率增加。
这还将使燃气轮机引擎的发电量提高约2%。请注意，燃气轮机引擎所产生的功率在整个混合SOFC-GT循环中占比达到16%（表3）。
SOFC废气燃烧过程的研究 混合SOFC-GT系统中的燃烧器用于在燃料电池堆后燃烧剩余的燃料。该燃烧器应根据混合系统进行特别设计或从标准燃气轮机燃烧器进行修改。但是该燃烧器可在大负荷范围内使用低热值燃料和高温稀释空气进行运行，并同时实现非常低的排放。
为了初步分析SOFC废气后燃的可能性，采用了UGT2500燃气轮机引擎传统扩散式燃烧器的设计作为研究对象。该燃气轮机引擎有一个远程燃烧器，由两个垂直排列的燃烧衬套组成。这些燃烧衬套通过一个气体收集器与高压涡轮入口相连，将气体流从燃烧衬套中引导出来。
燃料喷嘴的流道面积增加了，从而为SOFC废气从燃料孔中获得所需的流速而不出现火焰吹灭提供了条件。在这个阶段，除了改变燃料喷嘴和辅助空气孔的流道面积之外，没有进行其他设计修改。
在开发这种燃烧器的湍流化学反应流模型时，应考虑到它应包括一些最重要物理和化学过程的子模型：生成混合物直到完全分子均匀，湍流传递和气体燃料燃烧，包括反应系统组分浓度的脉动。
湍流化学反应流模型基于解决描述每个反应混合物组分的浓度对流和扩散转移的方程系统。模型的详细描述可以在中找到。
«——【·简化燃料氧化机动力学·】——»
由于所表示的废气氧化动力学机制涉及大量反应，它们需要使用能够预测化学物种特殊特性的燃烧模型。
涡流耗散概念（EDC）是这样一种模型，它考虑了化学动力学和流体湍流之间的相互作用。该模型反应发生在小尺度反应器的小型湍流结构中。
小尺度反应器通过公式定义提出混合固体氧化物燃料电池，以及燃气轮机扩展系统技术，为实用船舶动力系统效率和环保性提供了充足的机会。
这尤其适用于满足国际海事组织以及不同类型船舶设计、建造和运营的能源效率设计指数要求的情况，这将显著提高。所提出的技术主要涉及辅助船舶动力装置。
在这方面，所提出的辅助混合动力装置约为520kW的功率，其计算参数提供了符合新建船舶IMO要求的能源和环境指标。降低SOFC-GT循环中的最佳压力将导致生产更轻、寿命更长的设备。
目前，可用的SOFC系统的成本明显高于传统系统；由于相关技术在固定式电力工程领域的快速发展，它们的成本预计会降低。需要进行进一步的技术和经济分析，以证实使用所提出的混合系统在各种可能的燃料和船舶特性方面的经济可行性。
我们对使用具有再生式燃气轮机，和过度膨胀功能的混合型SOFC-GT系统在船舶工程领域中的应用进行了理论研究。
该研究的主要结论如下：首次提出使用具有过度膨胀功能和特殊排气机的燃气轮机来提高SOFC-GT混合循环效率，并进行了热力学计算。
建立了混合型SOFC-GT系统的数学模型，可以优化其燃气轮机部分的热力学参数。提出的SOFC-GT方案中，燃气轮机进口处的气体温度严格由额定运行模式下的SOFC堆的设计参数确定。
«——【·总结·】——»
参数是采用带有燃气轮机发动机的SOFC-GT方案，它比目前可用的燃料电池和再生式燃气轮机发动机方案具有更高效率。使用所提议的SOFC-GT方案的燃气轮机引擎实现了总复杂效率达到55％， 这相当于其电力生成效率提高约19％。
开发的SOFC-GT系统的燃气轮机的推荐优化参数为：燃气轮机压缩比为1.95-2.2，排气机压缩比为1.3-1.4，从而确定了燃气轮机进气温度的范围为1050-1090 K。
对独立的UGT2500燃气轮机燃烧器进行的三维计算表明，可以有效地利用低热值的SOFC废气作为主要燃料，并保持燃烧过程的稳定性，在燃烧区内的最高温度水平相对较低，因此NOx排放非常少，不超过5 ppm。