CC BY
9Статья поступила в редакцию 07.06.12. Ред. рег. № 1356
The article has entered in publishing office 07.06.12. Ed. reg. No. 1356
УДК 621.352.6:661.931
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ И СТРУКТУРА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Г.Н. Волощенко
НИЦ «Курчатовский институт» 123182 Москва, пл. академика Курчатова, д. 1 e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 20.06.12 Заключение совета экспертов: 30.06.12 Принято к публикации: 03.07.12
Проведен анализ тепловых режимов твердооксидных электролизеров и топливных элементов, выявлены проблемы, связанные с обеспечением тепловых режимов этих устройств и предложена структура этих устройств, обеспечивающая стабильный тепловой режим в широком диапазоне работы, в том числе в составе гибридных энергоустановок.
Ключевые слова: твердооксидный электролит, электролизер, топливный элемент, тепловой режим, гибридная энергоустановка.
ANALYSIS OF THERMAL CONDITIONS AND THE STRUCTURE OF HIGH-TEMPERATURE ELECTROCHEMICAL DEVICES
G.N. Voloshchenko
RSC "Kurchatov Institute" 1 Acad. Kurchatov sq., Moscow, 123182, Russia e-mail: [email protected]
Referred: 20.06.12 Expertise: 30.06.12 Accepted: 03.07.12
Analysis of thermal conditions solid-oxide electrolytic cells and fuel cells was conducted. The problems which are related to vision of these devises thermal conditions were revealed. The structure of these devices was suggested, which could supply stable thermal conditions in wide range of work, as well as in hybrid power-plants.
Keywords: solid-oxide electrolyte, electrolyser, fuel cell, thermal mode, hybrid power-plant.
Обеспечение теплового режима работы высокотемпературных электрохимических устройств (ВТЭХУ) является одним из важных аспектов поддержания его работоспособности и эффективности в течение всего времени эксплуатации. В работах американских исследователей [1-3] приводятся градиенты температур внутри топливных элементов планар-ной конструкции. Значения перепада температуры в пределах одного элемента достигает 150° и более. С учетом особенностей планарной конструкции такой перепад может оказаться фатальным с точки зрения обеспечения прочности, а следовательно, и ресурса высокотемпературных топливных элементов (ВТТЭ). К сожалению, конструкции ВТЭХУ во многом построены путем перенесения на них подходов, отработанных на низкотемпературных топливных элементах и электролизерах. Однако такой перенос технических решений без учета особенностей, в том
числе свойств реагентов, и дает такой эффект перекоса температуры в пределах одного элемента.
Оценим температурный режим водородно-воздушного ВТТЭ. Без учета теплопотерь через корпус ВТТЭ выделяющееся тепло может быть отведено только путем нагрева реагентов. При этом температура реагентов по мере прохождения по ТЭ будет повышаться. На рис. 1 показаны результаты расчетов повышения температуры внутри ВТТЭ при разных значениях коэффициентов использования водорода &н2 и кислорода воздуха &о2. Как следует из рис. 1, величина перегрева реагентов и, следовательно, самого ТЭ весьма высока. Таких результатов следовало ожидать, учитывая низкую теплоемкость газовых реагентов. Следовательно, подачей реагентов вопрос поддержания температурного режима ВТТЭ решить нельзя. Действительно, использование интенсивной прокачки воздуха, т.е. малой степени использования
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 <|Q © Научно-технический центр «TATA», 2012 ' ^
кислорода, связано не только с увеличением гидравлических потерь, но и приведет к большим потерям энергии на догрев воздуха после рекуперативного воздухо-воздушного теплообменника. На рис. 2 представлена зависимость теплоты догрева воздуха относительно полезной тепловой мощности ВТТЭ от степени использования кислорода воздуха при перепаде температур на горячем конце теплообменника 50°. Сопоставление рис. 1 и 2 показывает влияние степени использования кислорода на возможность поддержания температурного режима ВТТЭ и потери полезного тепла ВТТЭ на догрев воздуха, т.е. на КПД топливного элемента. Стремление поддержи-
вать температурный режим ВТТЭ увеличением прокачки воздуха через топливной элемент приводит к возрастанию потерь тепла на догрев воздуха и, следовательно, к снижению КПД. Например, при кОг = 0,1 перепад температур составляет 300°, а потери тепла составляют почти половину полезного тепла топливного элемента. При кО2 = 0,05 перепад температур снижается до 200°, а на компенсацию потерь тепла на догрев воздуха уходит все тепло ВТТЭ, а это значит, что ВТТЭ производит только электроэнергию, а выделяющееся в нем тепло не может быть полезно использовано.
Рис. 1. Зависимость перегрева ВТТЭ от кО2 и кН2 Fig. 1. The dependence overheating SOFC on ko2 and kH
2
Рис. 2. Зависимость относительной теплоты догрева воздуха от кО2 Fig. 2. The dependence of the relative warmth of the reheats the air on kO
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
2
Уменьшение потерь тепла на недорекуперацию может быть достигнуто уменьшением перепада температур на горячем конце теплообменника-рекуператора, однако это неизбежно приведет к росту его объема и массы, что отрицательно скажется на удельных характеристиках ВТТЭ.
Из всего вышесказанного следует однозначный вывод, что обеспечение температурного режима ВТЭХУ должно быть принудительным за счет использования отдельного контура теплоносителя, который не только поддерживает заданный температурный режим ВТЭХУ, но и позволяет отводить высокопотенциальное тепло для полезного использования вне ВТТЭ, например, в паро- или газотурбинном цикле для получения дополнительной электроэнергии, выработка которой может увеличить суммарный КПД на 10-15%.
Что касается высокотемпературных электролизеров (ВТЭ), то использование принудительного теп-лоподвода с помощью внутренних теплообменников позволяет проводить электролиз при напряжении, меньшем термонейтральной ЭДС Е, т.е. в режиме поглощения внешнего тепла, что существенно снижает энергозатраты на производство водорода.
Рассмотрим собственно рабочую зону ВТЭХУ, где и происходят электрохимические процессы преобразования химической энергии реагентов в электрическую и наоборот.
На рис. 3 представлена разработанная нами [1, 2] пространственная структура рабочей зоны ВТЭХУ, состоящая из последовательно расположенных секций электрохимических модулей, чередующихся с промежуточными теплообменниками. В данной структуре внешнему реагенту отводится роль стабилизатора температурного режима ВТЭХУ. Для этой
Динамика параметров электролиза при и=1Д В
1,2 1,1
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
Номер ряда модулей
....... ¡к----Ex. — • — NH2x А теплообменник
Рис. 4. Динамика параметров электролиза при U = 1,1 В Fig. 4. Dynamics of parameters of electrolysis at U = 1.1 V
цели используются промежуточные теплообменники, с помощью которых подводится или отводится тепло, нагревая или охлаждая внешний реагент и таким образом обеспечивая поддержание температурного режима рабочей зоны в заданных пределах.
Рис. 3. Структура рабочей зоны ВТЭХУ Fig. 3. The structure of working zone SOFC and SOEC
Рассмотрим работу ВТЭ с цилиндрическими модулями диаметром 1 см при постоянном напряжении на элементах 1,1 В, эффективным сопротивлением ^эфф = 0,5 Ом-см2 и скорости подачи внешнего реагента водяного пара 10 м/с. С помощью разработанных нами расчетных программ [3, 4] было получено распределение ЭДС Ех, плотности тока ¡х и мольной доли водорода ЫНх по длине рабочей зоны и количество рядов модулей, необходимое для получения на выходе 90%-го водорода (рис. 4).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Для поддержания температурного режима рабочей зоны в пределах 30 °С необходимо установить 29 теплообменников для нагрева внешнего реагента, при этом число рядов модулей в секциях будет меняться от 11 в первой секции до 60 рядов в предпоследней. Удельный расход электроэнергии составляет 2,63 кВтч/нм3Н2. Аналогичные расчеты для получения 95%-го водорода были выполнены для напряжения электролиза 1,2 и 1,29 В (рис. 5 и 6).
Расход электроэнергии при напряжении 1,2 В составляет 2,87 кВтч/нм3Н2, а при напряжении 1,29 В, т. е. в термонейтральном режиме, уменьшается количество рядов модулей и отпадает необходимость в установке промежуточных теплообменников, но удельный расход электроэнергии возрастает до 3,09 кВтч/нм3Н2.
Рис. 5. Динамика параметров электролиза при U = 1,2 В Fig. 5. Dynamics of parameters of electrolysis at U=1.2 V
Рис. 6. Динамика параметров электролиза при U = 1,29 В Fig. 6. Dynamics of parameters of electrolysis at U=1.29 V
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рассмотрим аналогичную проблему для ВТТЭ. На рис. 7-10 представлены результаты расчетов параметров водородно-воздушного ВТТЭ с помощью разработанной нами математической модели и программы расчетов [5]. Как следует из результатов моделирования, ВТТЭ нуждается в промежуточных теплообменниках для поддержания температурного режима в существенно большей степени, чем ВТЭ. На рис. 10 показана зависимость числа рядов модулей между промежуточными теплообменниками Д№ер1 от номера ряда модулей при разных рабочих напряжениях ВТТЭ. Наличие промежуточных теп-
лообменников позволяет эффективно использовать тепло ВТТЭ для генерации электроэнергии во внешнем преобразователе, например, в газовой турбине. На рис. 11 показаны зависимости КПД топливного элемента и гибридной энергоустановки с турбома-шинным циклом от рабочего напряжения ВТТЭ. Как следует из расчетов по математической модели [5], КПД энергоустановки существенно меньше зависит от напряжения топливного элемента, что позволяет эффективно использовать такие установки при переменном графике нагрузки, что особенно актуально для автономного энергообеспечения.
Рис. 7. Динамика параметров топливного элемента при U = 0,8 В Fig. 7. Dynamics of parameters of fuel cell at U=0.8 V
Рис. 8. Динамика параметров топливного элемента при U = 0,7 В Fig. 8. Dynamics of parameters of fuel cell at U = 0.7 V
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Рис. 9. Динамика параметров топливного элемента при U = 0,6 В Fig. 9. Dynamics of parameters of fuel cell at U = 0.6 V
Рис. 10. Размещение
теплообменников в рабочей зоне ВТТЭ Fig. 10. The placement of the heat exchangers in the working zone of SOFC
Рис. 11. Зависимость КПД от рабочего напряжения ВТТЭ
Fig. 11. The dependence of the efficiency of the operating voltage SOFC
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Приведенные выше результаты расчетов по разработанным нами моделям показывают эффективность предложенных технических решений по структуре рабочей зоны и организации процессов тепломассообмена с точки зрения обеспечения стабильного функционирования высокотемпературных электрохимических устройств трубчатой конструкции. Аналогичные расчеты для планарных конструкций показывают, что для них могут быть применены такие же технические решения.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР №1741472.
2. Заявка на выдачу патента на полезную модель №2012116891 от 27.04.2012 г.
3. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011617961.
4. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011617364.
5. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012612900.
6. Powers J.D., Brouwer J. et al. SOFC Modeling for IGFC System Analysis. 10th Annual SECA Workshop, Pittsburgh, PA, July 16, 2009.
7. Moe A. Khaleel et al. Modeling Tools for SOFC Design and Analysis. 12th Annual SECA Workshop, Pittsburgh, PA, July 28, 2011.
8. 2004 Office of Fossil Energy Fuel Cell Program Annual Report, Sept. 2004.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
