熔盐燃料电池堆温度场影响因素的数值分析new

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1、_______________________________________________________________________________www.paper.edu.cn熔盐燃料电池堆温度场影响因素的数值分析王彦辉(华北电力大学(北京)动力系，北京102206)摘要:通过研究熔融碳酸盐燃料电池的传热传质和电化学反应机理，根据质能守恒原理建立了电堆的温度模型。模型考虑了辐射换热、shift反应及组分动量的变化。求解传质方程时对电流密度做了一阶假设。结果表明入口气流温度、阴极利用率和电流密

2、度是影响电堆温度的主要因素；不同流动型式的电堆在相同进气参数下有着不同的温度场。关键词：熔融碳酸盐燃料电池；温度模型；影响因素；数值模拟中图分类号:TM911文献标志码:A文章编号：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）燃料适应性强，换热现象包括对流、导热、辐射及传质传热。不同余热品质高，即可独立运行又可和汽轮机、燃气轮单体通过隔板进行热交换。通过能量守恒可得到电堆的温度方程（1）。该方程考虑了电化学反应、辐机组成联合循环，是中心电站或分布式电站的理想[1]射换热、shift反应以及组分的变化对电堆温度场发电装置

3、。MCFC运行中，温度过高会造成电介质的影响。蒸发和腐蚀机构，温度过低则会降低反应气体活性，因此对本体温度的研究非常重要。数值方法能¶¶¶()rucT+()rucT+()rucT够获得不同参数和运行工况下电堆的详尽性能，同xpypzp¶x¶y¶z时还可为实验研究提供技术支持与理论指导，是对¶¶T¶¶T¶¶T[2]=k+k+k+Sh(1)电堆进行优化设计的有力工具。目前对熔盐燃料¶x¶x¶y¶y¶z¶z电池的数值研究分三个层次：微观电极模型、宏观其中，单体模型、本体与

4、系统模型。随着电极反应面积和发电反应热源：熔盐电站容量的不断增大，对电堆整体温度和系统J(x)的模拟变得愈发重要[3,4]。S=-DH-J(x)V(2)elecf,H2Ocell2F1数学模型shift反应热源：S=-DHDn=(43729-9.4657T)Dn（3）1.1电堆的能量守恒方程sssas电堆本体由重叠的单体组成，为便于建模，将隔板和电解质间的辐射换热：每个单体分为单体单元（电极和电解质）、隔板（双44极板）、反应气体三部分。模型做了以下假设：○1气sAe(Te-Ts)*3S=»4sRT(T-

5、T)(4)rades体视为理想不可压缩流体；○2反应气体在流道中做1e+1ees层流流动；○3转换反应在电堆入口达到平衡；○4反应气由气体分配管道均匀分配到各个单体。方程（1）适合所有气固部件，对于固相对流项为零。显然温度方程的求解需要耦合动量方程、组分电堆的热源包括预热热、电化学反应热、焦耳方程和电化学反应方程。热及转换反应（shift）反应热。发生在电堆中的1.2连续方程1_________________________________________________________________

6、______________中国科技论文在线www.paper.edu.cn了零阶电流密度的假设，本文采用一阶电流密度的¶¶¶.(ru)+(ru)+(ru)=r2-(5)[7]xyzCO3假设。¶x¶y¶z定义燃料最终利用率u=II和无量纲长outin.J(x)1度l=x/L。Iin为假设燃料完全被利用时能获得r2-=×M阳极(6)CO32-ZFdCO3auH2g的电流。则J(l)»J+(0.5-l)（13）outR.2J(x)1以阳极H2为例，传质方程变为：r2-=-×M阴极（7）CO32-ZFdCO3

7、lO2gLN=N-J(l)dl-DnLl（14）H2a,H2,in2Fd∫sa01.3组分传质方程dNjJ(x)12.2流道多孔介质的假设=+ZDn(8)sdxZjFdg由于气体通道采用波状板结构，几何建模和求方程右边分别为电化学反应源和shift反应源。解都比较困难，这里采用多孔介质模型处理。通过多孔介质的压力降可用Darcy定律描述：1.4动量方程rrrmrD(ruu-t+P)-u=0(15)¶()¶()¶()¶paruu+ruu+ruu=-xxyxzx¶x¶y¶z¶x(9)2.3边界条件[6]¶¶

8、ux¶¶ux¶¶ux+m+m+m¶x¶x¶y¶x¶z¶x给出流道进口气流的温度和速度,出口采用“pressure_outlet”边界条件；上下端板表面温度为923k。考虑到隔板和电解质与湿密封件间的导y、z方向的动量方程同上。热，固体部件的进出口定义为热通量边界条件，即k1.5电气方程q=(T-T)(16)x=0x=0net,ind/2w12k0RTPH2PO2PCO2,cqx=l=(Tx=l