具有泡沫金属流场的燃料电池研究进展

泡沫金属是一种具有高孔隙率、高电导率、良好传热性和重量较轻等优点的新型多功能材料,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中嵌入泡沫金属作为流场的应用受到越来越多的关注。重点综述PEMFC流场的研究进展,探讨泡沫金属结构参数、流场设计和环境因素等对功率密度、气体分布、压降和水热管理等性能的影响。进一步讨论泡沫金属流场在PEMFC应用中所面临的腐蚀和水淹问题,以及具备耐腐蚀涂层泡沫金属的研究进展,为PEMFC泡沫金属流场的发展和优化提供有益的启示,以期推进泡沫金属在PEMFC中的应用。

超长重力热管联合热泵的地热利用系统热力经济性分析

深层地热资源储量巨大,采用超长重力热管取热技术对深层地热资源进行开采,将其与热泵系统联合为用户供热是一种高效利用深层地热资源的方法。针对如何调节不同参数下超长重力热管与热泵联合运行以期获得最佳热力经济性的问题,建立了系统热力经济性模型,研究了热泵系统蒸发温度、超长重力热管热阻、井深、地温梯度以及蒸发器面积不同的情况下系统热力经济性变化规律。结果表明存在一个最佳蒸发温度使供热成本最低,如在地温梯度30℃/km、井深3 000 m的条件下,最佳蒸发温度为-2℃;超长重力热管热阻越小或地温梯度越大时可实现供热成本越低且最佳蒸发温度越高;存在最佳的井深和蒸发器面积使得供热成本最低。研究结果可为优化超长重力热管在开采深层地热联合热泵系统性能方面提供理论指导。

液冷式锂电池储能系统高倍率调频应用研究

针对风光能源规模化接入电网造成的频率波动问题,提出了结合功率型锂电池及液冷式热管理的储能系统。基于实验测试获取了功率型锂电池的电热特性,结果表明高倍率工况下仅依靠自然对流散热不能满足电池合理工作温度需求。建立了液冷式热管理系统及其仿真模型,并通过数值仿真对4C倍率放电、不同流量以及实际AGC调频工况条件下系统热管理性能及电池热行为进行了分析。研究表明实际AGC调频工况下,电池间温差小于2℃,最高温度小于33℃,证明了液冷式热管理方案能够实现储能系统在高倍率调频工况下的长期稳定运行。

基于局部异常因子的锂离子电池储能系统故障诊断

锂离子电池在过充、高温及外短路等滥用工况下工作会导致火灾等事故的发生。通过对锂离子电池进行早期故障诊断,定位故障的具体位置并及时采取相应措施,可以有效避免故障进一步升级为热失控。为此,基于锂离子电池储能系统的运行数据,采用局部异常因子算法对其进行故障诊断分析。通过计算单日及多日的电压运行数据,确定故障电池的具体位置,分析故障电池的异常情况。研究结果验证了局部异常因子算法应用于锂离子电池储能系统故障诊断的有效性。

“新型储能安全技术”专栏特约主编寄语

新型储能是支撑新型电力系统建设的重要技术和基础装备,对推动能源绿色转型与高质量发展具有重要意义。目前,以电化学储能和氢能为代表的新型储能呈现爆发式增长,储能安全运行压力和安全隐患明显增加。一方面,应该重视关于电制氢、氢发电等新型设备的极端工况、衰减特性、组件与材料的失效模式,以及受限空间内氢气的泄漏扩散、燃爆风险及监测保护技术等氢电耦合全环节安全管控技术的研究。另一方面,储能电池在过充、高温及外短路等滥用工况下工作会导致火灾等事故的发生,本质安全提升的新型电池储能技术、电池模组温度控制技术、阻燃及消防技术等也是当前的研究热点。

微过充条件下锂离子电池的老化机理

锂离子电池容易发生微过充导致电池失效,影响整个电池系统的安全。通过不同充电截止电压(3.6 V、3.7 V、3.8 V和3.9 V)下的磷酸铁锂锂离子电池微过充循环实验发现:微过充循环后的电池与正常循环电池相比,容量衰减更快;微过充后电池发生的老化机理为锂库存损失(LLI)和活性材料损失(LAM),且LLI与LAM之比随着充电截止电压的升高而增大,3.9 V充电截止电压条件下,电池LLI和LAM分别达到20.37%和22.17%。此外,欧姆内阻和极化内阻都随着截止电压的升高而增大,且固体电解质相界面(SEI)膜也在不断增厚。

基于增量容量曲线的锂离子电池微内短路故障诊断方法

锂离子电池内短路极易引发热失控事故,有必要尽早检测出锂离子电池内短路故障。然而锂离子电池在内短路故障发展的初始阶段,短路电阻阻值较大,难以被识别诊断。本工作提出了基于锂离子电池IC曲线的电池微内短路故障诊断方法。当电池发生内短路故障时,部分充电电流会流过短路电阻而不是参与锂离子电池内部电化学反应,因此短路电池与正常电池的IC曲线会存在微小差异,可以通过计算不同短路程度锂离子电池与正常电池IC曲线之间的均方误差(MSE)进一步放大故障电池与正常电池之间的偏差,进而对锂离子电池微内短路故障进行诊断,由短路电池与正常电池在相同电压区间内充电电量的差异,开发了短路电阻的定量计算方法。模拟和实验结果表明,本工作提出的方法可对阻值达到710Ω的电池微内短路故障进行准确检测,对于短路电阻的最大估算误差为6.1%,对老化电池进行的短路实验表明该算法对于老化电池也有较强的适用性。且该算法计算复杂度低,仅需要电池低倍率充电数据即可进行短路故障诊断,时效性较强,易于实际应用。此外本工作还研究了锂离子电池在发生微内短路故障时的温升效应,结果表明短路电阻为100Ω时电池表面最大温升为4.1℃,短路电阻为710Ω时最大温升为0.4℃,电池发生微内短路故障时温升特征不明显。

非傅立叶导热的最新研究进展

对迄今为止有关非傅立叶导热的研究成果进行了全面的综述，其中包括作者在该领域的最新研究进展：空心球体介质双曲线非傅立叶导热模型的分析求解，室温条件下多孔材料内非傅立叶导热的实验结果及数值模拟，非傅立叶导热的“瞬时薄层”模型，非傅立叶导热和非费克质量传递的耦合分析，非傅立叶导热的分子动力学模拟等．文中还对下一步的研究工作进行了展望．

干热岩热能的热管开采方案及其技术可行性研究

常规增强型地热系统(EGS)通过流体工质在裂隙热储中的循环流动来开采岩石中的热能,需要消耗大量的泵功,存在工质流失、管道腐蚀结垢等问题,而且常常由于裂隙网络的井下连通性不够造成EGS建设的失败。为避免这些问题,本文首次提出采用热管来提取干热岩热能的技术方案。为强化热管蒸发段与周围岩石的传热,特别提出在目标热储内充填CO_2流体工质、借助其自然对流强化干热岩热能开采,进一步通过数值仿真及理论分析探讨该方案的技术可行性。数值模型考虑了超临界CO_2的变物性,研究了其在目标热储内的自然对流对热管采热的影响,模拟并比较了在不同条件下热管的采热速率。结果表明,调低热管的采热温度可以显著提高热管采热速率,并且当热储渗透率大于1×10^(-9)m^2时CO_2的自然对流作用会明显提升热管采热速率。本文还比较了热管加热段水平布置与竖直热管的性能差异,发现前者可以提高1.5~2.3倍的采热速率。另外,对该系统中水工质重力热管的携带极限以及管内蒸汽流阻进行了分析探讨。

非傅里叶导热现象的双元相滞后模型剖析

针对实验观察到的多孔材料内的非傅里叶导热现象,采用双元相滞后(Dual-phase Lag)模型来描述多孔材料内的非傅里叶导热过程并进行了数值求解. 求解结果表明,若(T和(q取值恰当,双元相滞后模性地预测实验型可以定所观察到的非傅里叶导热现象；变化(T和(q的相对数值,介质中的非傅里叶导热将表现为不同的形式. 据此,文中对非傅里叶导热进行了较为全面的定义,指出了非傅里叶导热与传统意义上的热波并非等价.

多孔材料内非傅立叶导热现象的实验研究结果及理论分析

本文介绍了室温条件下多孔材料的瞬态脉冲激光加热实验及其初步理论分析。文中列示了实验观察到的、受微秒脉冲激光加热的多孔材料内的非傅立叶导热现象。实验研究结果表明：只有当热扰动足够强（实验中反映为激光脉冲的脉宽足够小，脉冲功率密度足够大）时，才有可能在热扰动过后的极短时间瞬时观察到非傅立叶导热现象，而且明显的非傅立叶导热现象只可能在介质受热扰动位置附近的极薄厚度空间中存在；理论分析时采用了双曲线非傅立叶导热模型来描述多孔材料受微秒脉冲激光加热这一非傅立叶导热过程，并用有限差分（ＦＤＭ）结合ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ预测－校正（Ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ－Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）方法对其进行了数值求解。理论分析结果和实验结果定性地吻合。

热、质非经典传递过程的“瞬态薄层”模型

提出了超常热、质传递过程的“瞬态薄层”模型———在超常热、质传递条件下 ,紧靠介质内受热或质扰动的位置 ,存在一“薄层”区域 ,该薄层内的热传导或质量传递必须考虑非经典 (非傅立叶或非费克 )传递效应 ,在薄层外、介质内其他部分的热、质传递仍近似符合经典热、质传递定律 (傅立叶和费克定律 ) ;“瞬态薄层”内的非经典传递效应只可能在热、质扰动过后的极短瞬时存在 .在分析介质内的非傅立叶导热行为的同时 ,根据热、质传递的可类比性得到非经典质量传递“瞬态薄层”的厚度与质松驰时间、质扩散系数以及质量扰动的强度和瞬时性强弱的定性相关关系 .

薄层物料受激光脉冲热作用的数值模拟

有别于传统的将加热光源作为第二类边界条件的传热计算方法 ,考虑到激光与薄层多孔材料热相互作用 ,将激光加热处理为在被加热物料内沿光程按指数规律衰减的内加热源 .考虑到薄层多孔材料在大功率微秒脉冲激光作用下可能会出现极为明显的非傅立叶效应 ,采用非傅立叶导热的双曲型模型描述多孔材料内的传热过程 ,并用有限差分方法对其进行数值求解 。

锂离子电池电极的设计和优化:介观孔尺度数值模型

“十二五”期间，得益于新能源汽车、新能源建设的高调运行，“锂离子电池”题材仍然保持着较高的热忱。锂离子电池性能优越，用途广泛，前景最为广阔。相对于铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势，不但是行业宠儿，更是投资新贵。据悉，目前中国锂离子电池市场规模已超过250亿元，参与企业已逾数百家之多，再加上股票等“二级”资本市场对“锂离子电池”的追逐，行业规模日渐增大。

非费克质量传递的“瞬态薄层”模型

提出了超常质量传递的“瞬态薄层”模型——在超常质量传递条件下 ,紧靠介质内受质量扰动的位置 ,存在一“薄层”区域 .该薄层内的质量传递必须考虑非费克效应 ;而在此薄层外 ,介质内其他部分的质量传递仍近似符合费克定律 ;“薄层”区域边界上的质量传递满足连续性边界条件 .文中以受脉冲质量源扰动的质量传递过程为例 ,采用类似于非傅里叶导热方程的双曲线非费克质量传递方程来描述该“薄层”内的非费克质量传递 ,并用有限差分结合 Mac Cormack预测校正法对其进行了数值求解 .在分析介质内出现的非费克效应的同时 ,得出了“瞬态薄层”厚度与介质的质松弛时间。

韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考

安全性是锂离子电池储能系统的重要议题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。本文立足于韩国公开的其国内近期发生的锂电储能系统安全事故调查报告,对电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等引致安全事故的因素进行了分析,梳理了四类因素作用下电池及系统安全事故的触发及演化规律,探讨了四类因素间的相互影响机制,总结经验教训的同时提出了锂电储能系统安全管理的发展方向。

圆柱形锂离子电池模组微通道液冷热模型

针对电动汽车电堆的热管理系统,建立了包含71节18650型锂离子电池的电池模组的微通道液冷热模型。该模型集总处理单电池热过程、电池生热基于实测结果,模型还特别考虑了电池间导热。基于该模型,模拟研究了放电倍率、冷却液入口流速、电池间接触面积以及电池与水冷管外壁接触面积对电池模组热行为的影响。模拟结果证实了该微通道液冷方案对动力电池模组热管理的有效性,并且发现:放电倍率的增加会使电池模组内单电池温度增加、模组内温度一致性变差;增大冷却液流量可以显著降低电池模组的温度,并改善其温度一致性;增大电池间接触面积可略微提升电池模组温度一致性,但对控制其最高温度作用有限;增大电池与液冷管外壁接触面积可显著降低电池模组内电池的最高温度,但会使其温度一致性变差。

干热岩热能重力热管采热系统数值模拟研究与经济性分析

利用超长重力热管开采干热岩热能可以避免增强型地热系统存在的工质损失、腐蚀结垢和井下连通困难等问题;相比于单井井下换热器系统,热管管内液-气相变使得管壁与热储之间的传热温差增大,使用重力热管开采地热能有望获得更高的单井采热量。本文开发了能对重力热管内部过程与裂隙热储渗流过程进行耦合求解的数值模型,模拟了管长4500 m的重力热管地热系统运行过程,研究了裂隙热储中的流体自然对流对地热系统性能的影响,并与套管式井下换热器地热系统进行了对比研究。进一步分析比较了重力热管、套管井下换热器、增强型地热系统电站的发电成本。研究结果表明,重力热管地热系统单井发电量可达240 kW以上,发电成本约为1.124 CNY/(kW·h),与增强型地热系统电站发电成本接近,优于井下换热器式地热系统;如果利用废弃油气井建设重力热管地热系统,发电成本仅0.644 CNY/(kW·h)。

锂离子电池大电流放电过程模拟研究

随着锂离子电池的广泛应用,电池以更大功率、更高倍率运行的需求日益迫切,探索锂离子电池大电流运行时的电-热行为及内部关键参数演化十分必要。建立了锂离子电池的电化学-热(ECT)模型和电池材料的热滥用模型,模拟了方形单层LiCoO2/C电芯在不同放电电流下的电-热行为,对比分析了电池分别以1C和14C倍率放电时电池内部关键电化学参数的演化过程。结果表明:随着放电电流增加,电池内部积聚的热量会引发材料的放热反应,有引发电池热失控的可能性;大电流放电过程电解液中锂离子浓度、输运电流密度、过电势、电解质电势和固相颗粒表面的锂离子浓度波动较大,在电池内部相关区域形成了明显的浓度差、密度差和电势差。

热储周围岩石热补偿对增强型地热系统采热过程的影响

采用自行开发的增强型地热系统(EGS)地下热流动过程三维动态模拟软件,模拟不同地质条件下EGS的长期运行过程,分析热储周围岩体的热补偿对产热温度以及热储内岩石、流体温度演化的影响.该数值模型视热储为等效多孔介质,采用两个能量方程分别描述流体和岩石的温度场,深入探究岩石与循环流体之间的换热过程.研究发现,热储周围岩体的热补偿作用与热储内流场形态强烈相关,且并不总是提高EGS的生产温度.在深度方向上有较大的优势流动的热储中,热补偿作用在EGS运行早期甚至会降低采出流体的温度.随着EGS的运行,热储温度持续降低,热补偿将对热能开采的影响将逐渐转向正面,对生产流体温度的提高效果增强.