金属燃料双闭式循环热电混合动力系统仿真及性能分析
摘要
构建高能量密度和高效能量转换的水下无人潜航器动力系统是各国海军重点研究
方向，闭式布雷顿循环与固体氧化物燃料电池耦合以其高效率，高输出功率的特点是水
下无人潜航器动力系统的理想方案，能够满足水下任务中系统质量小、效率高、使用寿
命长的要求。本文研究了一种由铝-水反应器作为热源和氢气来源，He-Xe混合工质闭式
布雷顿循环和SOFC循环组成动力输出的金属燃料双闭式循环热电混合动力系统。
首先，建立了金属燃料双闭式循环热电混合动力系统热力学模型，建立铝-水反应模
型，建立了He-Xe混合工质物性参数模型，建立了详细的SOFC一维模型，搭建了详细
的闭式布雷顿循环数学模型。在该模型基础上建立了热电混合系统综合评价指标，在设
计工况下，混合系统输出功率为462.7kW，热效率为36.88%。在参数运行范围内，对
SOFC燃料利用率、叶轮机械等熵效率、换热器效能、铝反应速率、压气机压比和涡轮
入口温度六个重要参数进行敏感性分析，研究混合系统功率、热效率、?效率和换热器
热导等性能参数的变化规律。
其次，针对多个系统性能指标之间存在相互制约与冲突的问题，利用响应曲面法得
到混合系统输出功率、?效率和换热器热导的回归方程。采用NSGA-II算法，以最大化
循环?效率、最高化输出功率和最小化换热器热导为优化目标，开展了金属燃料双闭式
循环热电混合动力系统的多目标优化分析研究，获取了约束条件下的帕累托最优解集。
通过采用TOPSIS决策算法，确定了多目标优化后的系统最优解，获得了约束条件下的
系统最佳运行工况为压气机压比为1.87，铝反应速率为1.2mol/s，回热器效能为0.84，
涡轮入口温度为1045K。在此运行工况下，混合系统输出功率为422.1kW，热效率为
44.6%，?效率为63.4%，换热器热导为11kW/K。
最后，建立金属燃料双闭式循环热电混合动力系统动态仿真模型，分析研究了混合
系统在不同变工况条件下的运行特征以及动态响应过程，包括变流量、变铝反应速率和
变转速工况。研究结果表明，变流量工况下，流量增加，涡轮入口温度降低，混合系统
功率和效率降低。变铝反应速率下，速率增加，混合系统功率增加，效率增加。变转速
下，转速增加，闭式布雷顿循环和混合系统功率降低，效率先降低后增加。
关键词：闭式布雷顿循环；固体氧化物燃料电池；热电混合动力系统；多目标优化；
动态仿真
金属燃料双闭式循环热电混合动力系统仿真及性能分析
Abstract
TheconstructionofUUVpowersystemwithhighenergydensityandefficientenergy
conversionisthekeyresearchdirectionofnaviesofvariouscountries.AclosedBraytoncycle
coupledwithsolidoxidefuelcellisanidealsolutionforUUVpowersystemwithitshigh
efficiencyandhighoutputpower,whichcanmeettherequirementsoflowqualityandlong
servicelifeofthesysteminunderwatermissions.Inthispaper,ametal-fueleddualclosed-cycle
thermoelectrichybridpowersystemwithanaluminium-waterreactorastheheatandhydrogen
source,andaHe-Xemixedworkloadclosed-cycleBraytoncycleandSOFCcycleasthepower
outputisinvestigated.
Firstly,thethermodynamicmodelofmetalfueldouble-