SOFC/Micro-GT混合循环系统性能分析

基于总能系统概念讨论固体氧化物燃料电池/微型燃气轮机(SOFC/Micro-GT)间接混合发电系统及其特点,建立SOFC电池堆及系统的物理、数学模型,对700kW级混合系统的稳态全负荷运行工况进行分析,结果表明混合系统净发电效率可达68.3%,加上回收的余热,系统整体热效率可达82.9%。该文还探讨了燃料利用率、平均电流密度、电池温度、压力及蒸汽/碳比等主要参数对系统性能的影响规律,为SOFC/Mciro-GT混合发电系统的设计、优化提供参考依据。     

流道面积比与阴极流量对交叉型流道PEMFC性能的影响

建立三维PEMFC传输模型,分析阴极流道面积比与阴极流量对交叉型流道质子交换膜燃料电池局部传递特性与电池性能的影响,模型中考虑了液态水生成,以更接近电池实际操作状态．流道面积比代表燃料流动面积与电池总面积之比,较大的流道面积比可提高燃料直接扩散面积,使更多氧气通过扩散方式进入扩散层和催化层参与电化学反应,增进化学反应速率,增大局部电流密度,从而提升电池性能．但对于交叉型流道设计,模拟结果表明,由于流道中挡板的作用,燃料由自然扩散传质转变为强制对流传质,流道面积比的影响被消弱,最佳的电池性能出现在流道面积比为0．4时．结果也显示,提高阴极流量可改善电池性能．通过分析电池内部电流密度、氧气流量和液态水分布等局部传递特性,揭示了流道面积比与阴极流量对电池性能影响的内在原因．     

电池联接方式对燃料电池/燃气轮机混合动力系统性能影响

为了研究不同电池联接方式对混合动力系统性能的影响,应用模块化建模的方法建立了混合动力系统模型.利用该模型分析了电池的燃料和氧化剂都采用串联以及燃料串联氧化剂并联2种不同电池联接模式下燃料电池及整个混合动力系统性能的变化.将所有电池都并联的联接方式作为参考,不同联接方式的结果与参考工况进行了比较.结果表明,将电池的燃料和氧化剂都串联后电池堆可以被更好地冷却,电池堆内的温度分布更加均匀,系统的特性会有明显改善.     

基于GDL非一致孔隙率的PEMFC模拟仿真

目前,针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的数值模拟研究大多假设气体扩散层(GDL)的多孔介质孔隙率一致,但实际上GDL受双极板脊背压缩产生的变形会导致孔隙率的非一致性.文中针对装配压力引起的GDL变形及非一致孔隙率情况,基于有限元理论和计算流体力学软件,在FLUENT中导入力学分析得到非一致孔隙率的自定义函数(UDF).模拟结果表明:脊部下方GDL由于孔隙率的变化使得沿Y方向截面纵向气体的流速往双极板方向的递增;且孔隙率的非一致性导致脊部下方的气体浓度较流道下方降低、水含量增大,产生积水现象,这些变化将不利于燃料电池性能的保持.然后在验证函数准确性的同时探究了电池温度、湿度等参数随燃料电池电压的变化规律,并研究了燃料电池内部温度的变化.发现流道下方阴极侧电化学区域比阳极侧温度高,反映了实际燃料电池中阴极侧水堆积现象造成热的传输速度慢于阳极侧的实际情况.     

基于正交试验的低压燃料电池性能

通过对低压质子交换膜燃料电池的正交试验研究,得到如下结论:氢气的湿度与氢气的当量比对于燃料电池性能的影响较小,相对于空气的湿度、当量比以及燃料电池的工作温度而言,可以不予考虑;空气当量比对燃料电池性能的影响在5个运行参数中是最复杂的.它不是有固定的影响效果,而是随着工况点的变化,随着燃料电池电流大小的变化,而发生较大的变化.随着电流的增大,空气当量比对燃料电池性能的影响也增大,当电流达到较高水平时(本试验中电流达到120A之后),这种影响会下降.     

基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统的优化分析

将有机朗肯循环(ORC)作为底层循环与固体氧化物燃料电池(SOFC)、燃气轮机(GT)等能源动力系统耦合,可充分回收上层系统的低温余热进行发电,从而提高整个联合系统的能量转换效率.对SOFC-GT-ORC联合系统进行了一体化的建模分析与数值计算,讨论了SOFC的燃料和空气流率、透平的压比、ORC的分流系统等参数对联合系统性能的影响,并针对超临界工况下ORC及联合系统的运行参数进行了优化设置.所提出的基于增压SOFC-GT混合模式与超临界ORC的新型SOFC-GT-ORC联合循环及建立的一体化流程模型有助于揭示耦合系统的一般性能特性,并给出了一些关键参数的优化判据,可为SOFC-GT-ORC及同类复合动力循环系统的优化设计与运行提供理论指导和参考依据.     

SOFC/MGT混合发电系统变工况控制模式及性能分析

以220kW的SOFC/MGT混合发电系统为研究对象,建立了相应的数学模型,分析了不同控制模式对混合发电系统变工况性能的影响.结果表明:对于220kW的SOFC/MGT混合发电系统,在单独SOFC燃料控制模式(Case 1)下,系统的稳定负荷必须大于70%;在变转速控制模式(Case 2)下,系统的稳定负荷必须大于77%;而在定转速恒定电池温度的控制模式(Case3)下,系统最低负荷可以低到59%.在相同负荷条件下,Case 2对应的系统效率最高,Case 1对应的系统效率最低.为保证混合发电系统的高效率,并扩大混合发电系统的运行范围,提出了一种新的控制模式,可以使得混合发电系统最低负荷达到45%,而系统效率始终保持在56.4%以上.     

操作参数耦合对质子交换膜燃料电池性能影响的模拟研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)不受卡诺循环限制,能量转换效率高,被认为是最有潜力的绿色能源转换装置之一。为了最大程度地发挥燃料电池运行时的潜能,对操作参数控制的优化和研究变得至关重要。使用ANSYS/FLUENT建立了一个采用多平行蛇形流道的三维质子交换膜单体模型,开展不同操作压力(101.325、202.65、303.975 kPa)、进口温度(300、330 K)和散热率[5、40、60 W/(m~2·K)]下的性能变化模拟计算,分析不同操作参数及各参数耦合对燃料电池性能的影响。研究结果表明:各操作参数对燃料电池电流密度和温度的变化和分布情况均有显著影响;燃料电池性能在一定程度上随着散热率、操作压力及其进口温度的增加而升高,随工作电压的增加而下降;当工作电压为0.9 V时,电压对燃料电池性能的影响占据支配地位;当电压为0.5 V、散热率为60 W/(m~2·K)、操作压力为303.975 kPa时,电流密度最大,达到0.81 A/m~2。     

进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池在不同进气速度下的性能差异.方法改进一个耦合气体流道和气体扩散层的三维、两相、多组分HT-PEM燃料电池模型,考虑4种进气速度对燃料电池性能的影响.结果提高反应气体进入流道的速度,可以改善流道中反应气体浓度分布,使反应气体更加均匀地分布在流道中.在温度为453.15 K的交指流场中,氧气的进气速度为1.6 m/s,氢气的进气速度4 m/s为最优进气速度.结论 PEM燃料电池性能在不断的改善,交指流场中氧气浓度分布更加均匀,进出口的压力差足够排除生成物,膜电流密度分布的更加均匀.     

交混翼对方形棒束通道内超临界流动传热影响的初步研究

以CFD软件FLUENT为工具对超临界水堆的三维带交混翼的方形单通道模型进行了数值模拟.模型考虑了交混翼的仰角对于通道内温度分布及流场的影响,结果表明,交混翼造成流体绕流,使得流道内冷热流体混合,从而使得流道内流体的温度分布均匀,有效改善了燃料棒表面温度分布情况,降低热点温度;交混翼在15°、30°、45°和50°四种仰角情况下,30°仰角情况更有利于温度区域均匀.     

基于BP算法的海洋装备应用的SOFC系统温度模型的研究

基于BP算法,建立了海洋水下装备应用的SOFC系统的热管理模型,并对模型进行线性化预测。分别通过对燃烧室、换热器和电堆的模型的反复训练,选择合适的参数,并对训练好的模型进行测试,测试结果与实际数据之间的误差满足要求。利用同样的数据对SOFC系统的基于BP算法的模型进行了训练和测试,测试结果与实际数据之间的误差在±1 ℃左右。该模型可以为SOFC供电系统样机的研制提供重要的理论和方法支持。     

基于改进RBFNN的SOFC辨识建模

针对现有的固体氧化物燃料电池(SOFC)模型过于复杂,难以满足控制系统的设计需要的弊端,基于一种改进的径向基函数神经网络(RBFNN)辨识技术建立了SOFC的非线性模型.在建模过程中,以SOFC的燃料利用率为模型的输入,电压和电流为模型输出.利用800组实验数据作为训练样本,建立了SOFC的电流-电压辨识模型.仿真结果表明了所建模型的有效性和精度.该模型的建立为先进的控制策略研究奠定了基础.     

APGC燃机与燃料电池复合发电系统性能分析

基于新型环境压力下吸热燃气轮机循环APGC(ambient pressure gas turbine cycle),提出了APGC燃气轮机和常压固体氧化物燃料电池(SOFC)组成的复合发电系统.利用商业软件Aspen plus,建立了APGC燃气动力装置以及常压SOFC的数值分析模型.以西门子公司生产的120 kW燃料电池结构及设计参数作为分析基础,探索了APGC燃气轮机和SOFC组成的常压SOFC/APGC复合发电系统的性能.研究结果表明:复合装置的发电效率可以达到66.5%,显示出复合发电性能的优势.     

直流逆变分布式电源降阶模型及小扰动稳定分析

分布式电源类型及控制方式多样,致使含多种分布式电源的小扰动机电暂态分析的电网模型复杂,分析难度加大.针对应用较广的光伏和燃料电池两种分布式电源,在对其全阶状态空间模型的特征分析和电池动特性时间尺度分析的基础上,提出了前馈解耦控制下考虑电池U-I外特性和逆变控制系统动特性的光伏发电系统降阶模型和忽略逆变系统快动态特性的燃料电池降阶模型,并应用于4机2区域系统并网小扰动分析.研究结果表明:直流DG并网主要通过改变系统潮流及平衡点影响系统阻尼特性;直流DG出力增加时,与采用降低出力增加旋转备用运行方式的常规机组强相关的模式阻尼特性会呈现增大的趋势.     

固体氧化物燃料电池系统仿真分析与控制

固体氧化物燃料电池（SOFC）系统是一个非线性、多变量和强耦合的系统,很难用传统的建模方法来建立。本文基于BP神经网络的方法,利用MATLAB/Simulink平台构建SOFC系统模型,并在该模型的基础上增加PID控制,实现了闭环控制系统的分析。实验结果表明,该模型预测精度高,由预测模型得出的温度数据与实际数据的绝对误差为0.011%,增加的PID控制算法具有很强的抗干扰能力。     

板式固体氧化物燃料电池的热应力分析

为了深入掌握固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构性能,进而提高其可靠性,在对SOFC的内部流动和电化学特性进行数值模拟,对顺流和逆流两种流动情况下板式SOFC内温度分布、电势特征和电流密度特征进行分析的基础上,将数值计算得到的温度场作为载荷施加到SOFC的热应力模型中,建立了数值模拟SOFC的有限元热应力模型,对SOFC关键结构中的三合一电极板中的热应力分布特征进行了分析研究.研究结果表明:相对于顺流形式,逆流形式燃料入口附近的温度梯度要大得多;材料间热膨胀系数的不匹配导致了热应力的产生;热应力的大小与温度分布和温度梯度密切相关.由于过大的热应力可能会导致SOFC结构开裂甚至破坏,该研究工作为SOFC单电池和电池堆的设计优化提供了重要的理论依据.     

多装置并行搜索单目标的最优方法

研究以b个天平为试验装置,如何用最少的试验次数从n个硬币中识别出所含的唯一轻币的并行搜索模型.这是对试验装置为一个天平的推广.论文构造出具有最少试验次数的最坏情况序列算法以及最坏情况预确定算法.此外研究了两个相关的模型,得到了精确的最少试验次数.