燃料电池-燃气轮机混合动力系统的燃烧与系统性能分析

摘要/Abstract

摘要：

对熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机（Molten Carbonate Fuel Cell/Micro-Gas Turbine, MCFC/MGT）混合动力系统中催化燃烧室(Catalytic Combustion Burner, CCB)的反应特性及影响因素进行了分析，并基于燃气轮机的设计方法进行了混合动力系统的设计.在对催化燃烧室的数值模拟中采用了塞子流模型及CH4在催化剂Pt上的详细反应机理，在实验中对3种不同催化剂的反应特性进行了分析.混合动力系统设计中，以燃料电池的温度为限制条件，采用基于现有燃气轮机对燃料电池进行匹配的设计方法，确定了混合动力系统的设计点参数.分析结果表明，所建立催化燃烧室模型可以反映燃烧室的特性，以钙钛矿和金属氧化物为助剂的催化剂活性要比贵金属的差，基于燃气轮机设计的混合动力系统虽然效率低但更具有实际意义.

关键词: 混合动力系统, 微型燃气轮机, 催化燃烧, 燃料电池

Abstract:

The reaction performance and influencing factors of catalytic combustor in the molten carbonate fuel cell/micro-gas turbine (MCFC/MGT) hybrid system were studied, and a hybrid system was designed based on the commercial gas turbine. The combination of numerical simulation and experimental study was used to study the catalytic combustor. The plug flow reactor model and detailed reaction mechanism of CH4 on Pt were used for the numerical simulation, and reaction performances of 3 different catalysts were studied in the experimental study. The design point parameters of the hybrid system were identified based on the commercial gas turbine, using the fuel cell temperature as the limiting condition. The results show that the model created can reflect the characteristics of the catalytic combustion burner, the reaction activity of the perovskite and metal oxide catalyst is poorer than the noble metal catalyst. Though the efficiency of the system based on the commercial gas turbine is lower, this design is more practical.

Key words: hybrid power system, micro-gas turbine, catalytic combustion, fuel cell

中图分类号:

TM 911

刘爱虢1，翁一武2，曾文1，王冰1. 燃料电池-燃气轮机混合动力系统的燃烧与系统性能分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(12): 1957-1962.

LIU Aiguo1,WENG Yiwu2,ZENG Wen1,WANG Bing1. Analysis of Combustion and Systematic Performance of MCFC/MGT Hybrid System[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2013, 47(12): 1957-1962.

参考文献

［1］Norton D G, Vlachos D G. Hydrogen assisted selfignition of propane/air mixtures in catalytic microburners［J］. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(2): 24732480.

［2］Volchko S J, Sung C J, Huang Y M, et al. Catalytic combustionof rich methane/oxygen mixtures for micropropulsion applications［J］. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(3): 684693.

［3］Mhadeshwar A B, Vlachos D G. A thermodynamically consistent surface reaction mechanism for CO oxidation on Pt［J］. Combustion and Flame, 2005, 142(3): 289298.

［4］曾文. 催化燃烧的数值模拟及其在均质压燃(HCCI)发动机中应用的基础研究［D］. 大连: 大连理工大学能源与动力学院，2006.

［5］陈启梅. MCFCGT混合动力系统非线性特征及其协调控制研究［D］. 上海：上海交通大学机械与动力工程学院, 2007.

［6］Rory A R. A dynamic fuelGas turbine hybrid simulation methodology to establish control strategies and an improved balance of plant［D］. Irvine: Doctor dissertation, University of California, 2005.

［7］刘爱虢. 燃料电池/燃气轮机混合动力系统数值模拟与催化燃烧实验研究［D］.上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2010.

［8］Zhu H Y．Numerical modeling of methane combustion on Palladium catalyst for gas turbine applications［D］．College Park: University of Maryland，2001．

［9］Tauster S J, Fung S C, Garten R L. Strong metalsupport interactions. Group 8 noble metals supported on titanium dioxide［J］. Journal of American Chemistry Society,1978, 100(1): 170175.

［10］Shim K S, Hilaire L, Normand F L, et al. Catalysis by palladiumrareearthmetal(REPd) intermetallic compounds: hydrogenation of but1ene, buta1, 3diene and but1yne［J］. Chem Soc Faraday Trans, 1991,87(9):14531460.

［11］刘爱虢,翁一武.甲烷在蜂窝状堇青石基催化剂表面的催化燃烧及氢气辅助催化［J］.燃烧科学与技术, 2012,18(5):421426.

LIU Aiguo,WENG Yiwu. Methane catalytic combustion and hydrogen assisted catalysis on cordieritebased honeycomb catalyst［J］. Journal of Combustion Science and Technology, 2012,18(5):421426.

［12］刘爱虢,翁一武.熔融碳酸盐燃料电池容阻特性建模与仿真［J］. 中国电机工程学报，2009，29(29)：96101.

LIU Aiguo, WENG Yiwu, Volumeresistance characteristics modeling and simulation of molten carbonate fuel cell［J］. Proceedings of the CSEE, 2009，29(29)：96101.

［13］刘爱虢,翁一武.熔融碳酸盐燃料电池热力特性研究与实验分析［J］. 上海交通大学学报，2010，44（7）：994999.

LIU Aiguo,WENG Yiwu. Study on thermodynamic characteristics and experimental analysis of molten carbonate fuel cells［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010, 44(7): 994999.

［14］Bedont P, Grillo O, Massardo A F. Offdesign performance analysis of a hybrid system based on an existing molten fuel cell stack［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines Power, 2003, 125(4):986993.

［15］Park S K, Oh K S, Kim T S. Analysis of the design of a pressurized SOFC hybrid system using a fixed gas turbine design［J］. Journal of Power Sources, 2007, 170(1):130139.

[1]	王阳达, 王建国, 连冠, 张大骋. 基于弛豫时间的不同工况下直接甲醇燃料电池性能退化分析[J]. 上海交通大学学报, 2026, 60(2): 289-299.
[2]	陈鹏飞, 王壮, 陈俐. 基于优化规则的柴电混合动力系统能量管理策略[J]. 海洋工程装备与技术, 2026, 13(1): 24-33.
[3]	傅圣来, 陈俐, 陈自强. 考虑不确定延迟的并联式气电混合动力系统模式切换控制[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(9): 1225-1236.
[4]	李建林, 张则栋, 梁策, 曾飞. 计及源-荷不确定性的综合能源系统多目标鲁棒优化调度[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(2): 175-185.
[5]	刘克, 郝亮, 耿珺, 陈洵, 陆维. 质子交换膜燃料电池仿真模型并行计算与优化[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(11): 1754-1762.
[6]	尚妍欣, 屈雯洁, 任学宁, 陆宏波, 杜玮, 李丽, 吴锋, 陈人杰. 航天先进电源材料与技术研究进展[J]. 空天防御, 2024, 7(6): 12-28.
[7]	陈敏学, 邱殿凯, 彭林法. 基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(3): 253-262.
[8]	李洋, 刘志, 宰学荣, 黄翔, 陈岩, 曹亚俐, 张怀静, 付玉彬. 海泥孔隙率对海底微生物燃料电池电化学性能影响及有机质扩散分析[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(10): 1567-1574.
[9]	苏雨临, 连冠, 张大骋. 等效电路模型法预测动态工况下微型直接甲醇燃料电池剩余使用寿命[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(10): 1575-1584.
[10]	杨博, 曾春源, 陈义军, 束洪春, 曹璞璘. 极限学习机及其在质子交换膜燃料电池参数辨识中的应用[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(4): 482-494.
[11]	姜勇，李洋，周阳，巩建鸣. 奥氏体不锈钢双极板的低温超饱和气体渗碳表面改性[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(2): 247-252.
[12]	周苏，姜缜，DE LILE J R. 基于密度泛函理论的过渡金属酞菁配合物氧还原反应催化能力[J]. 上海交通大学学报, 2017, 51(12): 1422-1427.
[13]	刘佳, 李修亮, 沈烨烨, 苏宏业, 马龙华. 燃料电池DC-DC变换器的设计与数字化控制[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(6): 910-916.
[14]	吕学勤, 马玉超, 刘文明. 机器人燃料电池混合动力系统优化控制[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(12): 1936-1939.
[15]	刘爱虢1，翁一武2，曾文1，陈保东1. 基于燃气轮机的MCFC/MGT混合动力系统特性[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(04): 418-423.