燃料预重整份额对SOFC-GT混合发电系统设计的影响

针对以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)-燃气轮机(gas turbine,GT)混合发电系统,利用平衡态重整器模型、一维SOFC模型以及搭建于Ebsilon?中的燃气轮机系统模型,在不同燃料预重整份额和SOFC燃料利用率的设计工况下,开展混合发电系统的性能分析研究。结果表明,高SOFC燃料利用率并不会对应高的系统发电效率。混合发电系统效率最高点出现在热耦合策略对系统性能影响最小的设计工况下。燃料内重整可以提高混合系统的效率,但也要求SOFC运行在极端的设计工况下;燃料外重整则可以提高系统设计的灵活性,降低混合发电系统对SOFC的依赖。仿真分析显示,通过合理配置SOFC燃料利用率和燃料重整过程,有望在不依赖燃料内重整的情况下,提高混合发电系统的发电效率。     

SOFC电堆降阶建模研究及其仿真测试

基于5 kW固体氧化物燃料电池(SOFC)独立发电系统,考虑其高阶复杂非线性的特性,设定部分变量为常值进行简化,从系统的分布式参数控制、SOFC模型的温度分层动态分析及层次降阶方面进行分析,设计了面向控制的SOFC系统级降阶模型,并进行了仿真,测试了4温度层、3温度层、2温度层三种不同模型的输出特性.仿真结果表明SOFC系统级降阶模型具有建模简单和精度高的优点,研究结果对SOFC燃料电池独立发电系统的建模和控制具有一定的实用价值.     

固体氧化物燃料电池三维热流电化学分析

根据平板固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理，对其工作系统的传热传质和电化学反应建立三维热流模型和电化学模型。控制方程引入源项，质量源项表征反应物和产物的质量变化，用Darcy模型描述气体在多孔电极内的动量源项，能量源项反应系统内的化学反应热和欧姆热。以交换电流密度连接SOFC的热流和电化学模型的耦合分析，CFD软件ANSYS-CFX求解热流模型，子程序计算电化学反应。改变工作参数如气体流动方向、燃料气组分和燃料气流动速度，分析其对电池温度场及电流密度分布的影响。结果表明：燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向进气的温度场分布、电流密度更为均匀；加快燃料气进口速度或提高燃料气中氢气质量分数，虽然提高平均电流密度，但是最高最低温度之差也随之增加，即温度梯度变化明显，因此会引起系统热应力的增加。     

质子交换膜燃料电池机理与ANN混合模型的建模与仿真分析

提出了一种新型的混合燃料电池模型,描述了该混合模型包括机理部分和黑箱部分(即神经网络部分).机理部分用来体现质子交换膜燃料电池性能,神经网络部分用来表现所不知或者不能用机理模型来表现出来的质子交换膜燃料电池性能,认为可以再现质子交换膜燃料电池的各种特性.仿真结果表明,该混合质子交换膜燃料电池模型具有比单独的机理模型或神经网络模型更高的精度.     

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。     

SOFC建模与控制策略的研究现状与发展

简单介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的单体结构类型和工作原理;然后详细介绍SOFC的电极、单电池、电堆、系统四个层次的建模以及SOFC控制的研究现状,并指出现有模型的不足;接着讨论SOFC电池数学建模的发展方向;最后,针对SOFC系统的非线性、大时滞、多输入多输出和随机干扰等特征,提出了几种适宜的控制方案.     

固体氧化物燃料电池的集总建模与仿真

在考虑浓差极化电压、活性极化电压以及欧姆电压损失的基础上,推导出单个固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)的电压、各种气体分压及电流的数学关系。以集总的思维方式,依据SOFC电池堆内部气体摩尔流量的动态守恒方程,得出各种气体分压和电流的函数关系。在此基础上构建SOFC的Matlab集总模型。由于具有可调的动态参数,该模型能够灵活且较准确地模拟实际的SOFC系统。通过对稳态电压电流特性和动态单步负荷跟踪特性进行实验仿真,表明该模型的特性能够较好地吻合分布式模型及实测数据所表征的特性。在分布式燃料电池发电系统研究中,具有一定的应用价值。     

固体氧化物燃料电池阴极气体传输的研究

建立了一个数值模型,来计算并论述在固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极中的扩散和渗透共同作用下的传质现象.经过对比分析,研究了阴极内压力梯度对气体传输、气体分布,以及浓度过电压的影响.研究表明,文献中所采用的扩散模型可近似模拟SOFC阴极的浓度过电压.但是,对于气体成份沿阴极的分布,则必须考虑压力梯度的影响.在此提出的模型可进一步深化,以优化SOFC电极的多孔结构.     

燃料电池3种典型仿真模型的适应性分析

燃料电池是一种重要的分布式电源,根据研究问题的需要,建立繁简适宜的仿真分析模型对于研究其在各种扰动下的动态行为意义重大.文中以固体氧化物燃料电池(SOFC)为例,介绍了SOFC的3种模型,即详细动态模型和忽略燃料电池内部气体分压力变化的2种简化模型.针对不同运行及故障情况,分别采用这3种不同模型对SOFC发电系统进行了仿真,通过对仿真结果的比较,给出了3种模型的适用范围.     

固体氧化物燃料电池的数学模型及自适应神经模糊辨识模型的研究

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是21世纪最有生命力的发电技术之一。文章从SOFC实际应用的角度出发,应用改进的自适应神经模糊推理系统(adaptive neural fuzzy inference system,ANFIS)对SOFC建立了 负载稳定和负载变化2种情况下的电特性模型。由于数据来源不足,首先根据SOFC的工作原理,运用电化学、流体动力学等学科理论,建立SOFC的数学模型,基于该数学模型获取ANFIS辨识模型的训练和预测数据。仿真结果显示了改进的ANFIS技术对SOFC系统的建模和控制具有一定的实用价值。     

固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化研究

针对1MW固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,并对其系统参数进行了分析和优化。研究为大型SOFC发电系统的设计奠定了基础。     

基于析因试验的固体氧化物燃料电池热电联供系统设计参数研究

对固体氧化物燃料电池热电联供(solid oxide fuel cell combined heat and power,SOFC–CHP)系统的设计参数进行了研究,该系统由重整器、燃料电池电堆、燃烧室、2个热交换器及其它辅助设备组成。建立了系统的数学模型,以发电规模为70 kWe的系统为研究对象,运用析因试验的设计方法进行了计算机模拟试验,对系统的部分设计参数进行了析因分析。分析结果表明：影响系统发电功率的主要设计参数是燃料利用率和过量空气比率;影响系统热回收和电热比的主要设计变量是燃料利用率和水蒸汽与碳的比率,且这2个参数的交互作用较过量空气比率对系统影响显著;阴极排气再循环比率对系统热、电功率的影响甚微,不是系统的主要设计参数。整个研究工作为SOFC–CHP系统的合理设计提供了指导。     

内重整高温固体氧化物燃料电池建模与仿真

建立了一维内重整的高温固体氧化物燃料电池的数学模型，对复杂的偏微分方程组的求解进行了适用于快速仿真的一般差分方程组求解的转换，并建立了模块化的固体氧化物燃料电池仿真模型。该模块在组分和能量守恒的基础上，考虑了电化学反应模型，能反映燃料电池的分布参数特性，并可满足动态仿真需求。利用该模型分析了某一工况下固体氧化物燃料电池的稳态性能，并进行了动态过程的仿真，结果证明该模型可以反映固体氧化物燃料电池的基本性能。     

混合装置中高温燃料电池建模综述鲻

由于高温燃料电池发电不受卡诺循环的限制 ,能量转换效率高 ,污染比较小 ,排气温度较高 ,因此将燃料电池与燃气轮机组成混合装置在未来分布式发电领域具有广阔的前景。为了降低研发项目的风险 ,以及对其性能进行深入研究 ,混合装置的建模和仿真成为一种重要的研究手段之一。概述了高温燃料电池的早期模型、细化模型、整体“堆”模型以及控制方面模型 ,重点介绍了典型模型的建模思想和主要的方程 ,为实现燃料电池 燃气轮机混合装置的建模仿真做准备工作。     

固体氧化物燃料电池本体模拟研究

简要介绍固体氧化物燃料电池的运行机理及影响因素；应用Aspen P1us软件对固体氧化物燃料电池本体及其电解质进行了模拟，用测算的方法得到1MW电池本体所需的燃料、空气和水蒸气的流量，并用编写的Fortune模块对电池的发电量、电压和效率进行了计算，得到了预期的结果。用国外实际运行数据校验，证明所建模型是合理的。     

固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真

建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)联合发电系统,在该联合系统中SOFC不但可产生电能,同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能,提高了燃料能量转换率,也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明,在本文设计工况下,SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54％和723％,高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统;另外,合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能;SOFC燃料利用率为75％时,系统发电效率达到最大;燃料流量对系统发电效率基本没有影响。     

高温燃料电池发电系统研究

介绍燃料电池的分类和应用技术路线,比较各种燃料电池的发电特性,分析高温燃料电池的应用前景。分析表明,固体氧化物燃料电池在大型电厂的应用具有潜在优势。应用稳态模拟软件(AspenPlus)对1000kW SOFC/GT发电系统进行了模拟,模拟结果与WestingHouse 500kW SOFC/GT发电系统设计数据比较吻合,误差小于5%。应用建立的系统模型对影响系统性能的主要参数进行了优化,系统效率提高到51.403%。     

固体氧化物燃料电池阴极数学模型与性能分析

该文针对固体氧化物燃料电池（SOFC）的LSM/YSZ(Sr掺杂LaMnO3 / Y2O3稳定ZrO2)多孔阴极，耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散与电化学反应过程，建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化的电极微观数学模型。模型对交换电流密度计算子模型进行了改进，揭示了温度、氧气分压对其的影响，并将三相界 (TPB )定量表示为电极微观结构参数（孔隙率，配位数，接触角等）的函数。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好。在此基础上利用该模型对过电位、氧气浓度等参数在电极上的分布进行计算，并研究了混合导体颗粒尺寸、氧气利用率、电极厚度、孔隙结构参数对电极极化的影响。模拟结果对电极微观结构优化及电池运行提供了一定的理论指导。