當前位置:首頁 > 新聞導讀

红姐图库118手机看彩图包成科研團隊在PECS發表高水平論文

單位(作者):能源與環境工程學院 | 來源: | 更新時間:2019-04-03 | 點擊數:

近日,红姐图库118手机看彩图能源與環境工程學院包成副教授科研團隊在荷蘭Elsevier集團旗下期刊《Progress in Energy and Combustion Science》(PECS)上發表題為“Macroscopic modeling of solid oxide fuel cell (SOFC) and model-based control of SOFC and gas turbine hybrid system”的文章,PECS是能源與動力工程領域影響因子最高(IF:25.242)的學術期刊之一,每年發表文章數量僅20篇左右。

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)電極反應過程迅速,不必使用貴金屬作為催化劑,廢熱能級高,可與燃氣輪機(GT)等組成能量利用率很高的SOFC/GT混合發電系統。同時,由于SOFC的燃料使用范圍廣,易于CO2富集與分離,與整體煤氣化聯合循環等相結合可進一步優化我國的多聯產能源戰略。建模與仿真對SOFC相關科學和技術的發展起著至關重要的作用。

本文對SOFC宏觀模型和基于模型的SOFC/GT系統控制方法進行了全面綜述。首先圍繞多組分傳質、內部重整、輻射換熱、表面擴散、H2/CO電化學共氧化和電化學阻抗譜(EIS)等SOFC電化學和輸運過程建模的幾個關鍵問題展開論述,穿插介紹了作者在該領域所取得的一系列獨特成果,包括:基于攝動法和冪函數法的解耦質量/電荷傳遞解析模型、1D+1D傳熱/電化學模型及實時高效算法、比容積/比體積交換電流密度非線性關系、基于等效擴散電路的表面擴散和競爭吸附機制、基于角系數解析解的詳細輻射換熱模型、H2/CO電化學共氧化非線性/自適應宏觀動力學模型(見圖1)、用于基于物理模型EIS多弧物理解析的“系統動態配置法”等。然后綜述了不同維度的SOFC反應流模型,研究了SOFC/GT混合系統的系統構型、安全運行區域、非設計和部分負荷運行、負荷跟蹤、控制策略、分散/集中控制器和硬件在環仿真等問題,其中包括:基于神經網絡+坐標變換的GT模型、燃料電池系統自適應控制器、輔助系統(BOP)主要部件模型,以及自主研發的多層次天然氣內部重整(IR)SOFC/GT仿真平臺(獲2010年PSE Model-based Innovation Prize Runner-up國際學術獎)等作者的相關成果。為了便于訪問,一些有用的數據以表格的形式進行了總結分類。論文最后對該領域的相關問題及發展進行了展望。

宣傳-包成_副本.jpg

圖1 合成氣燃料SOFC極化性能實驗數據(J.   Electrochem. Soc.,   2003, 150(7): A942)與H2/CO線性和非線性動力學模型對比,可見現有的線性動力學模型在高CO含量時會出現明顯的偏差。基于解耦的電荷和質量傳遞數學模型解析解,作者定義并得到了氫電流分數ω和增強因子(Γ)兩個新變量的解析解。當Γ = 1時,模型即退化為常規的線性疊加率;在較高CO濃度時的Γ值,與Matsuzaki實驗中H2和CO單一燃料的電化學反應率之比相當,而在CO濃度較低、H2O濃度較高時,Γ高達102~103量級(為Jiang和O’Brien實驗中CO的增強效應提供了全新解釋);這也是我們定義其為“增強因子”的原因。由于Γ為操作電流密度、燃料組分和溫度、壓力的函數,該算法首次實現了H2和CO單一燃料電化學動力學,在混合燃料氣氛下的非線性、自適應疊加率。進一步引入表面擴散和競爭吸附機制,模型在保持固定的孔隙率/曲折因子的前提下,實現了包含大電流、高燃料利用率工況的電池性能預測。

該研究得到了北京市重點研發計劃、高校基本科研業務費等項目的支持。

文章鏈接:

(責編:杜嘉慶、邢華超)