基于经验小波变换的SOFC泄漏故障诊断

固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆通常在700℃以上的高温下工作。电堆所用密封剂在高温下易退化失效,导致泄漏故障,引发电堆的热失控和损坏,影响系统运行稳定性。提出一种基于电堆温度和电压信号的经验小波变换(EWT)诊断方法。通过EWT分解温度和电压信号,得到多分辨率分析(MRA),分析其中故障特征明显的MRA信号,求出时域特征,通过设定的阈值判断是否发生泄漏。通过千瓦级电堆实验平台数据,验证EWT诊断方法可较好地检测电堆泄漏故障,且相较于电压信号,温度信号的诊断更迅速。与集合经验模态分解诊断方法相比,EWT方法可更快地诊断出泄漏故障。

带电子空穴传导的H-SOFC电化学模型与电池性能

通过应用电荷有效电导率概念,构建了一个模型来分析柱塞流动时带电子空穴传导的质子导体固体氧化物燃料电池的电化学性能,并进行了理论计算。探讨了输出电流密度、电池温度和电解质厚度等影响。研究结果表明,与纯质子导体H-SOFC相比,由于漏电作用,带电子空穴传导的H-SOFC有更低的开路电压,但其主要电势损失仍然是由电解质的欧姆极化损失和电极的活化极化损失引起的。漏电主要发生在小的输出电流情况下,即接近开路状态。此外,电池温度越高、电解质越薄,漏电现象越严重。为了提高能源利用效率并考虑漏电行为,电池应在较小的外部电流密度和适中的温度下工作。此外,电解质厚度也不宜太薄。

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。

SOFC分布式热电联供系统的性能研究

对固体氧化物燃料电池(SOFC)热电联供系统(CHP)进行了研究,建立了各个组件的数学模型,并应用Matlab软件实现了系统的计算机模拟。以发电规模为20 kW的系统为研究对象,对其设计工况和运行工况进行了性能模拟,模拟结果表明,在设计点工况,系统的联供效率可达89%,系统中空气侧压缩机的功率消耗最大;在运行工况下,减小燃料利用率或增加过量空气比率均使系统的热、电效率下降,两参数对系统热效率的影响程度相当且较为显著,而燃料利用对发电效率的影响更为敏感,若需获得较高的发电效率,建议系统采取高燃料利用率的操作策略,若需获得较高的热效率,建议采取高燃料利用率或者在电堆允许的温差应力下降低过量空气比率的操作策略。整个研究工作为固体氧化物燃料电池热电联供系统的设计和操作提供了指导。

基于广义回归神经网络的SOFC电压模型研究

首先介绍并分析了固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理和理论电压模型。然后,针对SOFC系统过于复杂,理论电压模型存在明显不足的特点,试图绕开SOFC的内部复杂性,利用广义回归神经网络(GRNN)对SOFC系统进行辨识建模。模型以电池工作温度为神经网络辨识模型的输入量,电池电压/电流密度为输出量,利用750组实验数据作为训练样本,建立了SOFC在不同工作温度下的电池电压/电流密度动态响应模型。仿真结果表明了该方法的有效性,所建模型精度也较高。

基于simulink的SOFC-MGT联合发电系统建模与仿真

基于matlab-Simulink建模软件,建立了固体氧化物燃料电池(SOFC)的集总参数模型和微型燃气轮机的发电计算模型,结合具体算例进行了模型验证,并进行了有关系统的工作压力、温度、电流密度等参数的动态响应,结果表明:SOFC的集总参数模型能够满足仿真精度要求,SOFC-MGT联合发电系统发电效率可以达到57%.

一种协同仿真方法及其在SOFC数值模拟中的应用

针对当今复杂能源系统数值模拟的两大常用分析工具—Matlab和Fluent,提出了一种基于TCP/IP的协同仿真方法,并将其应用于SOFC的多尺度仿真。该方法以WinSock为框架,采用文件I/O函数访问共享数据的方式,完成两种工具之间的信息通讯。在SOFC多尺度仿真中,利用Fluent建立SOFC单体的宏观尺度模型,利用Matlab建立电化学反应扩散现象的介观尺度模型,通过二者的协同仿真实现两个尺度模型的耦合模拟。结果表明,该方法能有效地完成两种软件之间的协同仿真,且结果较真实地反映了对象的实际特性。

船用平板式SOFC传递过程分析与数值模拟

以某4 cm×4 cm平板式阳极支撑型SOFC为原型,建立三维计算流体力学模型,用其描述发生在多通道SOFC内的传质、传热和电化学反应等多物理场过程。通过计算给出顺流和逆流2种流动方式下电池内温度、流速、气体组分和电流密度等参数的分布。结果表明:2种流动方式下单电池内的温度分布是不均匀的,其中逆流方式下燃料出口处电池温度梯度最大;电流密度在电池内的分布很不规律,其最大值处于肋片、流道和电极的交界处,电流密度较大易造成欧姆损失较多、电阻热较大,对电池的性能和使用寿命都不利。

IT-SOFC阳极表面催化反应机理与传递过程的数值模拟与分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高、污染低、对燃料适应性好、功率大等特点。其性能与工作状态受发生在多孔阳极的化学反应与多种传递过程耦合的影响。基于流体力学方程组和多步基元化学反应模型,建立了描述上述耦合特性的三维数学模型,并自编程序求解分析。结果显示:重整反应主要发生在靠近通道进口的多孔阳极,表面成分Nis的覆盖率占70%～80%,其他主要表面成分为COs占20%～25%,Hs占6%,Os占1.5%;Nis随工作温度升高而增加;加强吸附基元反应会提高燃料利用率和工作温度;渗透率增加会提高反应气体在多孔介质内的传递效果,但催化反应会因接触不充分而减弱。通过考虑基元反应机理研究表明,在微观层面,催化剂Ni利用率不高,催化反应受温度、化学反应速率常数、孔隙率等参数影响较大。

SOFC的支持向量机(SVM)辨识建模

为了便于固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能预测和控制方案设计,提出一种基于支持向量机(SVM)的建模方法,用具有RBF核函数的SVM建立了SOFC电池堆的非线性模型。应用仿真对所建SVM模型的有效性和精度进行了检验,并与BPNN模型的辨识效果进行了比较。仿真结果证明与BPNN模型相比,SVM模型具有较高的建模精度。该SVM辨识模型的建立,对SOFC系统的控制策略研究具有一定的实用价值。

基于改进RBFNN的SOFC辨识建模(英文)

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。

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。

影响SOFC-GT系统热电比的参数模拟分析

随着燃料电池的发展,燃料电池应用领域将越来越广。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为高温燃料电池,可以在提供电能的同时对外提供热能。本文以SOFC/GT系统的热电比(对外提供的热能和电能的比)为主要研究对象,通过建立平板型固体氧化物燃料电池系统、燃气轮机等部件的计算模型,计算出不同参数对燃料电池热电比的影响。计算结果表明通过改变电流密度、入口温度和压力等参数,能对系统热电比进行调整。

SOFC多孔电极有效导热系数的实验和模型研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)内部流动传热和化学反应复杂,容易产生热不平衡区。获取高精度的多孔电极有效导热系数对于建立多物理场耦合数值分析模型和电池热管理具有重要的意义。基于稳态法设计并搭建了多孔材料有效导热系统实验平台和测量系统,在372.1~932.4 K温度范围内详细测量了多孔电极实验样件温度分布,通过多孔材料内传热理论分析,基于现有EMT和ME1数学模型,利用比例因子t构造了温度修正的SOFC多孔电极综合有效导热系数的计算模型。同时通过对比孔隙率为0.2349~0.4178的3个实验样件表面温度的计算值和实验测量值,验证了该有效导热系数模型的有效性和高精度。

基于容阻建模技术的SOFC电堆数值模拟

借助MATLAB软件,通过建模对固体氧化物燃料电池堆的运行进行仿真。为了计算的方便,模型采用了容阻建模技术。采用由质量守恒、能量守恒、动量守恒和电化学过程组成的模型,对SOFC电堆通道中的气体组成、温度分布、电压分布和电流密度分布进行了计算分析。这些分析结果可对电堆的设计提供参考。

考虑BoP热区内部件间热传递的SOFC系统建模仿真

高温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种高温高效的氢电转换装置,其高温工作环境对系统电堆和辅助部件(balance of plants,BoP)的保温绝热提出极高要求。考虑SOFC系统BoP热区内多部件之间存在的热交换,结合高温系统有限的可测数据,开展基于热效率-传热单元数法(ε-NTU法)的高温SOFC系统集总建模;通过模拟BoP热区内零部件与环境的热交换,实现BoP热区内多部件间的传热和温度定量分析;通过设计简洁的反馈控制器实现系统的自启动和稳定运行仿真。仿真结果表明,BoP热区整体保温绝热起温度均衡作用,有利于尾气余热对进气气体的进一步加热,也可适当降低设备最高温度,有利于系统长期运行。

固体氧化物燃料电池积碳效应数值模拟

燃料灵活性是固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的显著优势之一,但在使用碳氢化合物为燃料时,阳极碳沉积导致的电池性能衰减是影响SOFC长期稳定运行的最主要原因之一。为探明阳极碳沉积对电池性能的影响机制,构建了以合成气(H_(2)、CO、H_(2)O、CO_(2)、CH_(4))为燃料的固体氧化物燃料电池一维瞬态基元反应动力学模型,模型考虑了阳极非均相反应、电化学反应、电极微观结构演变、电荷和质量传输过程以及碳相变过程的耦合效应。参考试验中不同时刻的电化学阻抗谱验证了模型的准确性,基于该模型提出了SOFC阳极碳沉积机制:在高温(>1000 K)条件下,碳以薄膜碳的形式覆盖在阳极Ni表面和Ni/YSZ/气体三相界面,阻断了非均相反应和电荷转移反应的进行;在较低温度(<1000 K)条件下,薄膜碳演化为固体碳,固体碳生长在多孔阳极内部,堵塞阳极孔隙,阻碍燃料气体扩散。所构建模型可以反映出这一机制。最后,利用模型研究不同燃料组分下阳极碳沉积导致的SOFC性能衰减。研究表明,降低燃料中CH_(4)含量,可有效降低SOFC的性能衰减速度,提升SOFC运行性能。

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AspenPlus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。

含有固体氧化物燃料电池的广义负荷建模

随着智能电网、微电网、分布式发电技术的发展,配网侧将接入大量的分布式电源。考虑分布式发电的广义负荷建模具有重大的理论研究与实际应用价值。基于Matlab/Simulink建立固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)及其并网系统的动态模型,研究其外特性,指出含有SOFC的配电网络的广义负荷模型结构,只需在传统的综合负荷模型(synthesis load model,SLM)的虚拟母线上增加一个有功随电压变化的有功功率源。辨识参数需要增加SOFC相对纯负荷的比例、功率调节器的比例与积分放大倍数3个参数。算例表明,所提出的模型结构的描述能力、内插外推能力及参数辨识的稳定性较好。