固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)工作温度高,阳极可发生燃料内重整反应,具有较高的燃料灵活性,同时可与燃气轮机(Gas Turbine,GT)构成固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)混合动力系统进一步提高系统效率。SOFC/GT混合动力系统一般分为底层和顶层循环2种,考虑到SOFC/GT示范性工程有限且建造成本高,一般采用数学建模仿真方法开展SOFC/GT研究。与单独SOFC或GT模型不同,常采用热力学建模仿真对SOFC/GT系统性能进行分析优化。介绍了SOFC/GT混合动力系统常用热力学模型,并对目前SOFC/GT混合动力系统常见稳态和动态热力学建模工作展开综述,考虑到现阶段SOFC/GT混合动力系统多采用商业化软件(Aspen Plus、COMSOL、gPROMs等)建模,建模功能有限、不易拓展,后续工作可基于Matlab、Python等软件进行开源代码的编程;现阶段主要围绕系统级集总模型开展分析,无法准确描述燃料电池的局部特性,后续工作可在SOFC/GT建模中引入一维甚至更高维度的SOFC模型进一步提高建模精度。

设置富氨蒸气回热器的固体氧化物燃料电池/燃气轮机/卡琳娜联合循环系统的热力性能分析

提出了一种新的SOFC/GT/KCS联合循环发电系统,建立了该系统热力性能的数学模型,根据热力学第一定律和第二定律,利用EES软件仿真模拟对系统进行了能量分析、憥分析,并研究了空气流率、燃料利用率、燃料流率、压气机压比、水蒸气碳比的变化对联合循环热力性能的影响。研究结果表明,在设定工况下,SOFC的发电效率为49.2%,系统总发电效率为67.6%,系统总火用效率为68.16%;系统的各部件中,火用损失较大的部件依次为SOFC、后燃烧室、燃气轮机、预热器3和余热锅炉;当燃料利用率为0.85时联合循环系统的性能最佳;在一定范围内,随着空气流率、燃料流率或水蒸汽碳比的增加,联合循环系统的能量利用效率均降低。

固体氧化物燃料电池与燃气轮机联合发电系统模拟研究

固体氧化物燃料电池 (SOFC)是一种高效低污染的新型能源。建立了以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池和燃气轮机 (GT)联合发电系统的计算模型 ,并对具体系统进行计算。结果表明 :SOFC与GT组成的联合发电系统 ,发电效率可达 6 8% (LHV) ;加上利用的余热 ,整个系统的能量利用率可以超过 80 %。文中还分析了SOFC的工作压力、电流密度等参数对系统性能的影响 ,提高工作压力 ,可以增加电池发电量 ,提高系统的发电效率 ;

以木片气为燃料的中温型固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统性能研究

以木片气化气为燃料,建立中温型固体氧化物燃料电池(intermediate temperature solid oxide fuel cell,IT-SOFC)/燃气轮机(gas turbine,GT)混合动力系统的详细模型,分析混合动力系统的运行性能,研究生物质气的组分和水碳比的变化对混合动力系统性能的影响。结果表明,在设计工况下,以木片气化气为燃料的IT-SOFC/GT混合动力系统的发电效率高达59.24%,具有较好的系统性能。生物质气组分的变化对混合动力系统性能影响很大,H2百分比的变化使系统输出功率变化幅度最大,CO和CH4相近,系统的发电效率随H2百分比增加略有上升,随CO和CH4百分比的增加下降明显。研究还表明,当水碳摩尔比([S]/[C])改变时,系统输出功率和发电效率随着[S]/[C]的减小而逐渐增加,但从系统运行安全性和寿命方面考虑,应选择适当的[S]/[C]值。

固体氧化物燃料电池与燃气轮机混合发电系统

基于固体氧化物燃料电池系统的高效率、环保性以及排气废热的巨大利用潜能,将其与燃气轮机组成混合发电装置,是一种极有前景的分布式发电方案。文章以SWP公司的加压型SOFC—小型燃气轮机混合循环系统为例,对固体氧化物燃料电池及燃气轮机混合循环系统的原理及发展现状作了分析,为我国固体氧化物燃料电池—燃气轮机混合循环系统的研制提供参考。

固体氧化物燃料电池–燃气轮机混合动力系统的性能及控制策略分析

对高温固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统(solid oxide fuel cell-gas turbine,SOFC-GT)进行了详细的分析。利用部件实验数据和部件特性曲线对仿真模型进行了改进,使模型更能反映系统的真实运行情况。针对SOFC-GT运行特点,计算出了系统的安全运行区域,并在此区域内提出3种不同的变工况运行策略。仿真实验结果表明,不同的控制策略直接影响着系统变工况性能,固定燃空比可以使系统在82%～100%范围内获得最高的效率,而稳定SOFC的工作温度则可以使系统在21%～100%的工况内进行安全调节。

固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机联合发电建模仿真研究

设计一种固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机的联合发电系统,并对其进行建模仿真及性能研究。基于Matlab/Simulink仿真软件,采用模块化建模方法,再以拓扑结构连接各个子系统模型,搭建SOFC-MGT联合发电系统模型。仿真结果表明:模型满足仿真要求,系统具有较高的发电效率。在变工况,尤其是高背压条件下,该系统不能稳定工作,必须附加水处理系统才能保证该系统良好运行。

管式固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机复合系统模拟分析

利用Aspen Plus化工流程模拟软件,针对加压管式固体氧化物燃料电池与微型燃机复合系统的几种结构形式,建立了在加压条件下管式固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机复合的系统模型,开展了复合系统的性能研究,并给出了对比结果。分析表明:通过复合系统的结构优化可以获得高达72%的发电效率,显示出复合系统在分布式发电系统中拥有诱人前景。

固体氧化物燃料电池与燃气轮机混合发电的发展及甲烷蒸汽重整的研究

燃料电池与燃气轮机混合发电系统有着很高的能量利用效率,是能量转换的重要研究方向。而固体氧化物燃料电池的蒸汽重整技术为该联合提供了重要的技术支持。本文设计了固体氧化物燃料电池的结构,并进行甲烷蒸汽重整的模拟计算,计算结果显示燃料电池排气温度达到1 380K左右时,有很高的能量利用价值。

基于专利的固体氧化物燃料电池技术趋势分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种在高温下将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置,具有能量转化效率高、燃料适应性强且来源广泛、对环境友好等优点。通过分析1990年以来国内外高温固体燃料电池专利情况,从专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局等角度,研究了SOFC领域的技术关注重点、应用情况及技术发展趋势。现阶段高温固体燃料电池技术开发已进入快速发展期,国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性,国内则主要集中在突破电堆关键技术、核心部件国产化及示范工程建设。

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.

基于生物质气的固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统的性能分析

以生物质气为燃料,建立了固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统的仿真模型.利用所建立的模型进行仿真,根据燃料电池特性参数和压气机、透平特性曲线,分析了燃料质量流量、空气质量流量等参数对混合动力系统性能的影响.结果表明:基于生物质气的固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统的发电效率最高可达61.55%,但在这种情况下系统的寿命和可靠性急剧下降;在设计点工况下,系统的发电效率可达55.31%.燃料质量流量不变,空气质量流量可以在0.084 0~0.179 9kg/s内调节,系统效率变化范围为61.55%~51.43%;空气质量流量不变,为防止压气机发生喘振,燃料质量流量变化范围为0.062 3~0.084 6kg/s,功率变化范围为124.9~187.3kW.

基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种清洁高效的先进发电设备,具有空气、燃料气分离的结构优势,易于将燃料侧尾气中的CO_(2)富集。为提高SOFC阳极尾气中CO_(2)浓度,针对商业化的三元催化剂,综合考虑SOFC阳极尾气催化燃烧中传质、传热、化学反应过程,建立多物理场耦合稳态模型。基于该模型,模拟SOFC系统阳极尾气的催化燃烧特性,研究不同入口温度、反应空速和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度、H_(2)转化率、CO转化率、出口CO_(2)浓度等参数的影响,得到各参数的变化趋势。借鉴已有实验,通过优化空速,可以将出口CO_(2)浓度从94.72%提高至95.33%;通过优化催化剂尺寸,可以将出口CO_(2)体积分数从94.72%提高至95.64%。通过分析尾气催化燃烧中不同工况下的出口CO_(2)浓度变化特性,为商业三元催化剂用于SOFC系统阳极尾气催化转化和尾气CO_(2)富集提供指导。

基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究

【目的】便携式固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)系统包含气体供给模块、燃料处理模块、SOFC发电模块、热管理模块、尾气处理模块和控制模块等,其中,燃料处理模块与SOFC发电模块之间存在复杂的耦合匹配关系,明确模块间的耦合特性对提升系统性能以及运行寿命十分关键。【方法】分析了温度、碳氧比等因素对以Rh为催化剂的丙烷催化部分氧化(catalytic partial oxidation,CPOx)性能的影响,并进一步测试了CPOx与SOFC电堆的耦合性能。【结果】随着体积空速的升高,CPOx重整效率先升高后下降,100、150 mL/min是较为合适的体积空速;而温度的升高则能一直提升重整效率,但是高温度下相同温度增幅带来的重整效率提升逐渐减小;实验得到的最优碳氧比为1.0;在CPOx的最优工况下,SOFC电堆的性能达到了8.38 W。【结论】在丙烷体积空速150 min^(-1),碳、氧摩尔分数比1.0,工作温度800℃的条件下,SOFC电堆与CPOx的耦合性能最佳,丙烷便携式发电系统在体积为12 L时发电功率达到150 W。

固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合模式的统计综述

固态氧化物燃料电池(SOFC)作为高效低排放的一种先进发电方式,尤其是其与燃气轮机(GT)组成的混合系统,在未来能源的可持续发展过程中,对于提高化石能源的利用效率和可再生能源的应用将发挥重要作用。本文就目前的SOFC/GT混合模式(包括示范性项目和概念性设计)进行统计分析,在此基础上将SOFC/GT混合模式分为三种基本类型,并对相关典型混合模式进行综述和比较。本文最后对SOFC/GT混合系统目前的研究进展和面临的挑战进行讨论。

以气化煤气为燃料的固体氧化物燃料电池热电联供系统设计

煤炭在相当长一段时间内仍将是我国的主要能源,提高其利用效率对减碳具有重要意义;固体氧化物燃料电池(SOFC)是最高效的能量转化装置,二者结合将实现煤炭资源的最大化利用,助力新老能源的平稳过渡。但传统煤炭气化工厂产出的煤气中灰分、硫等杂质含量高,不能直接作为SOFC燃料,针对煤炭气化和净化过程以及燃料电池发电和热回收系统进行设计与模拟。使用Aspen Plus软件建立煤炭裂解、煤炭气化、煤炭净化、煤气冷却热回收、SOFC发电、尾气燃烧、蒸汽轮机发电、热水供应模块,使用软件内置Fortran模块对煤炭气化和SOFC发电的电化学过程进行建模,最终得到一种适合固体氧化物燃料电池的煤炭气化模块,气化效率为70.1%,该煤气主要含58%CO、32%H_(2),可直接通入燃料电池进行发电。模拟结果显示,该系统在拟定工作条件下,SOFC净发电效率可达37.54%,热水效率为35.11%,系统总体能量利用率可达78.58%。经灵敏度分析发现,采用适当的燃料利用率和燃料流量可有效降低系统运行成本,空气过量比在可选择范围内尽量选大。可实现煤炭的绿色、清洁高效应用。对煤炭气化燃料电池发电技术热电联供系统(IGFC-CHP)的全部过程进行了模型搭建,对IGFC-CHP的实现具有借鉴意义。

固体氧化物燃料电池新型连接体材料的研究进展

连接体是固体氧化物燃料电池(SOFC)中的关键组件,对连接体的高性能需求一直制约着SOFC的商业化发展。随着SOFC的运行温度降低到800℃以下,廉价的高温抗氧化金属连接体材料取代掺杂铬酸镧(LaCrO_(3))陶瓷的可能性大大增加。此外,为了优化连接体的性能,大量的导电/保护性涂层及新的复合材料也不断地涌现。综述了迄今为止连接体材料的发展现状,在对各种连接体材料以及涂层材料的性能和优缺点进行比较的同时,重点介绍了新开发连接体材料的研究进展,并对连接体材料的发展趋势进行了展望。

高温固体氧化物燃料电池(SOFC)进展

固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）采用的是全固体的电池结构，不存在液体电解质带来的腐蚀和流失等问题，而且具有燃料适应性广等突出优点，近几年发展非常迅速，已经展示出作为集中或分散发电新技术的前景。本文较详细地介绍了固体氧化物燃料电池的特点、工作原理和关键电池材料的研制，并全面阐述了国内外发展现状和发展趋势。

高温燃料电池—燃气轮机混合发电系统性能分析

针对高温燃料电池系统的高效率、环保性以及排气废热的巨大利用潜能 ,将其与燃气轮机组成混合装置进行发电是未来分布式发电的一种极有前景的方案。文中对高温燃料电池及混合循环系统作了简介 ,并对两种典型的高温燃料电池 -燃气轮机混合循环发电系统进行了性能分析 ,这将为我国高温燃料电池 -燃气轮机混合循环系统的研制提供参考。