CN110098422A - 一种sofc系统的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统领域，特别涉及一种SOFC系统的数值模拟方法，其技术方案要点是：包括如下步骤：S1：将现有SOFC发电系统按照部件分隔为若干模块，包括SOFC电堆、SOEC电堆和燃烧室、换热器、重整器、鼓风机和GT单元；S2：分别建立并离散化SOFC电堆、SOEC电堆和换热器的分布参数模型；分别建立燃烧室、重整器和GT单元的集总参数模型；S3：按照现有SOFC发电系统的系统机构和工艺流程集成所述模块的参数模型，最终获得SOFC发电系统的系统模型。其特点是该模拟方法针对SOFC发电系统，成本低、效率高。

Description

一种SOFC系统的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统领域，特别涉及一种SOFC系统的数值模拟方法。
背景技术
随着人类社会的发展，环境问题已不容忽视。固体氧化物燃料电池(SOFC) 因具有全固体结构，高效率，易维护，无污染等优点，已是当前绿色发电技术的 研究热点之一。SOFC发电系统具有多变量耦合、强非线性的特点，对系统进行 稳态性能分析是后续对系统进行控制的必要条件，也是系统稳定、高效、长时间 运行的基础。然而,SOFC发电系统的实验成本高，周期长，容易受实验器材的影 响，制约了SOFC发电系统的研究进展。而采用数值模拟方法成本低、效率高， 可以对SOFC系统进行稳态性能分析，从而在不同输出功率下具有最大系统效率 的最优操作点。
针对上述问题，我国现有如下专利：
专利授权公告号：CN101324908，公开了一种固体氧化物燃料电池的多尺度模拟 方法，其特征在于对固体氧化物燃料电池中耦合的热质传输、电化学反应等复杂 物理化学现象进行从微观尺度到宏观设备尺度的多尺度模拟以及多尺度模型的 集成及协同仿真方法。由于本发明提出的基于现象的建模方法在宏观尺度采用机 理建模方法，模型的物理意义明了，准确度高，适应性强。而在介观尺度和微观 尺度上采用基于分子或分子微团的模拟方法，从而能够弥补传统的单尺度模拟的 缺陷；采用了分层次和不同尺度相结合的方法研究复杂系统，有利于揭示如固体 氧化物燃料电池等复杂系统的本质，为研究复杂系统提供一种崭新的手段。
然而，该专利仅提供了对于SOFC电池的模拟方法，并未提供针对SOFC 发电系统的模拟方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种SOFC系统的数值 模拟方法，其特点是该模拟方法针对SOFC发电系统，成本低、效率高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种SOFC系统 的数值模拟方法，包括如下步骤：S1：将现有SOFC发电系统按照部件分隔为若 干模块，包括SOFC电堆、SOEC电堆和燃烧室、换热器、重整器、鼓风机和GT 单元；S2：分别建立并离散化SOFC电堆、SOEC电堆和换热器的分布参数模型； 分别建立燃烧室、重整器和GT单元的集总参数模型；S3：按照现有SOFC发电系 统的系统机构和工艺流程集成所述模块的参数模型，最终获得SOFC发电系统的 系统模型。
通过上述技术方案，建立SOFC发电系统的数值模型，SOFC发电系统建模 的方法有很多种，比如一维到三维的机理模型，集总参数模型等。针对不同的模 型类型，精确度与复杂度不尽相同，例如三维的机理模型固然在准确度上有所提 高，但是同时也增加了仿真计算的复杂度。考虑到SOFC发电系统的整体特性以 及系统中各部件单元需要重点研究的输出参数，有必要对每一个部件单元选择合 适的模型搭建方法，以保证系统模型在准确的情况下尽量减少模型的复杂程度， 因此针对发电系统中的模块和外围辅助子系统中的模块分别建立参数模型。
优选的，建立SOFC电堆的分布参数模型具体包括如下步骤：将电堆分为 若干节点，在任意所述节点建立质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模 型；所述质量守恒子模型用于计算燃料和空气中各气体的摩尔分数和摩尔流量； 所述能量守恒子模型用于建立电堆内固体和流体部分的温度模型；所述电特性子 模型用于计算各节点的电压。
通过上述技术方案，将SOFC电堆的的模型分为若干节点，对每个节点进 行相同的建模过程，建立质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模型，从 而模拟SOFC电堆节点的工作情形。
优选的，建立SOEC电堆的分布参数模型具体包括如下步骤：将电堆分为 若干节点，在任意所述节点建立质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模 型；所述质量守恒子模型用于计算燃料和空气中各气体的摩尔分数和摩尔流量； 所述能量守恒子模型用于建立电堆内固体和流体部分的温度模型；所述电特性子 模型用于计算各节点的电压。
通过上述技术方案，SOEC电堆的建模方式与SOFC的建模方式相同，也 包括质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模型；建立这些子模型，从而 模拟SOEC电堆的节点的工作情形。
优选的，建立燃烧室的集总参数模型具体包括如下步骤：搭建燃烧室壁 子模型和燃烧室内气体子模型；所述燃烧室壁子模型用于计算燃烧室壁的温度； 所述燃烧室内气体子模型用于计算燃烧室内气体的摩尔分数、摩尔流量和温度。
通过上述技术方案，搭建燃烧室壁子模型和燃烧室内气体子模型，模拟 燃烧室的工作情形。
优选的，建立换热器的分布参数模型具体包括如下步骤：将换热器分为 若干节点，计算任意节点的换热器比温度、空气温度、空气管道温度和高温尾气 温度。
通过上述技术方案，将换热器分为若干节点，通过计算节点的换热器比 温度、空气温度、空气管道温度和高温尾气温度模拟换热器的工作情形。
优选的，建立重整器的集总参数模型具体包括如下步骤：建立热动态特 性温度子模型和气体组分子模型，所述热动态特性温度子模型根据能量守恒定律 建立。
通过上述技术方案，建立热动态特性温度子模型和气体组分子模型，从 而模拟重整器的工作情形。
优选的，建立鼓风机的集总参数模型具体包括如下步骤：计算不同空气 流量下鼓风机所需的功率：其中， CP,air为空气等压比热容，Pair,bl和Pair,in分别为鼓风机入口、出口空气的 压力，ηbl为鼓风机的能量转换效率，为鼓风机输出的空气流量，r为 空气的比热比。
通过上述技术方案，根据鼓风机的能量转换效率、入口和出口的空气压 力、输出的空气流量、空气的比热比，计算不同空气流量下鼓风机所需的功率， 从而模拟鼓风机的工作情形。
优选的，建立GT单元的集总参数模型具体包括如下步骤：建立连接杆转 速与涡轮机功率、压缩机功率以及发电机发出功率之间的关系，如公式所示： 其中，N表示连接杆的转速，单位是rpm，ηm为连接 杆的机械效率；J是沿轴心线上的等效转动惯量，包括发电机，压缩机和涡轮机 的转动惯量之和。
通过上述技术方案，根据涡轮机功率、压缩机功率以及发电机发出功率 计算连接杆转速，从而模拟GT单元的工作情形。
本发明的有益效果在于：针对发电系统中的模块和外围辅助子系统中的 模块分别建立参数模型，保证系统模型在准确的情况下尽量减少模型的复杂程度。
附图说明
图1为实施例1的系统结构示意图；
图2为实施例2的系统结构示意图；
图3为实施例3的系统结构示意图；
图4为实施例4的系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中 使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词 语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心 的方向。
实施例1：一种SOFC系统的数值模拟方法，如图1所示，能够模拟纯氢 气SOFC发电系统。
纯氢气SOFC发电系统包括鼓风机、换热器、SOFC电堆和燃烧室。假设所 有气体均为理想气体；每个单元内所有参数特性均匀分布；每个单元的温度及气 体的摩尔质量的出口值代表整个空间单元的所对应的值；系统与外界绝热；电堆 中各电池片的性能相同；电堆中，由于连接体金属的高导电性，各节点电势相等。
鼓风机的模型构建方式如下：鼓风机的作用主要是为整个系统提供空气， 根据所提供的空气流量不同，鼓风机所需的功率也不同，这部分功率被视为系统 的寄生功率，寄生功率将在一定程度上影响系统的整体效率。因此，鼓风机的建 模，主要计算在不同空气流量下鼓风机所需的功率Pbl，通过以下公式实现： 其中，CP,air为空气等压 比热容，Pair,bl和Pair,in分别为鼓风机入口、出口空气的压力，ηbl为鼓 风机的能量转换效率，为鼓风机输出的空气流量，r为空气的比热比。
换热器的模型构建方式如下：换热器主要是利用燃烧室出来的高温尾气 对冷空气进行预热。换热器采用1D分布式模型，本文同样将换热器分为5个节 点。每个节点单元考虑换热器壁，空气，空气管道，高温尾气这四个温度层，分 别对应固体和流体选用公式和公式 其中Vs，ρs和Cs分别代表固态单 元的体积、密度和比热容，in和out分别代表节点的进口和出口，CV代表体积比热容，N代表摩尔数，代表摩尔流量，T代表温度，h代表热焓， Q代表热传递。
SOFC电堆的模型构建方式如下：SOFC电堆采用的是1D分布式模型，在 本文中，将电堆分为5个节点。对每个节点建立质量守恒子模型、能量守恒子模 型和电特性模型。
质量守恒子模型的建立过程如下：节点内的气体因参与化学反应，各种 气体的成分在不断的变化。燃料和空气中各种气体的摩尔分数和摩尔流量可由质 量守恒定律来计算。气体摩尔流量的变化则是与节点内化学反应的速率有关。对 于以甲烷为燃料的SOFC发电系统，一般认为最主要的反应是电化学反应，其速 率由公式计算；对于节点内各气体的摩尔分数和摩尔 流量，由公式PV＝NRT， 计算得到。其中in和out分别代表节点的进口和 出口，CV代表体积比热容，X代表气体的摩尔分数，N代表摩尔数，代 表摩尔流量，T代表温度，h代表热焓，Q代表热传递，nO2为氧气的摩尔数， nH2为氧气的摩尔数，nCO为氧气的摩尔数，nCH4为氧气的摩尔数，in代表输入端 的摩尔流量，XH2,in代表输入氢气的摩尔分数，XCO,in代表输入氢气的摩尔分数， XCH4,in代表输入氢气的摩尔分数。
能量守恒子模型的建立过程如下：将每个节点分为PEN层，连接体层， 燃料层和空气层。其中前两个温度层为固体部分，后两个温度层为流体部分。
固体部分温度的建模，基础公式为其中Vs，ρs和Cs分别代表固态单元的体积、密度和比热容。由于PEN层内部还发生了电化 学反应，氢气的化学能转化为电能和热能，因此PEN层的温度模型还应加上反 应热和产生的电能，如公式其中VPEN， ρPEN和CPEN分别代表PEN层固态单元的体积、密度和比热容，。
流体部分温度除了与气体和固体之间的热对流相关，还与电化学反应放 热以及气体进出节点所带来的热量相关，如公式 所示，其中in和out分别代表节点的进 口和出口，CV代表体积比热容，N代表摩尔数，代表摩尔流量，T代表温度， h代表热焓，Q代表热传递。
电特性子模型的构建方式如下：每个节点的电压即单片电池的工作电压， 通过以下公式来确定：VOP＝VNernst-ηohm+ηact+ηconc；其中VNernst为能 斯特电压，可由能斯特方程得到：其中， 和分别表示相应气体的分压，ηohm，ηact和ηconc分别为电堆内部 的欧姆损耗、活化损耗和浓差损耗。为了简化电特性子模型的复杂度，用等效电 阻的形式统一三个损耗的表达关系，可将节点的电压公式简化为如下形式： VOP＝VNernst-IRtot；其中Rtot为等效电阻。
燃烧室的模型构建方式如下：系统中的燃烧室主要用来将流出电堆的剩 余燃料进行燃烧，产生高温尾气，为整个系统提供热量。一般来说，通入SOFC 发电系统中的空气均是过量的，因为可以认为在燃烧室中，所有剩余燃料(H2， CO和CH4)能够完全燃烧，燃烧速率计算公式如下： 其中，nO2为氧气的摩尔数，nH2为氧气的摩尔数，nCO为氧气的摩尔数，nCH4为 氧气的摩尔数，代表输入端的摩尔流量，XH2,in代表输入氢气的摩尔分数， XCO,in代表输入氢气的摩尔分数，XCH4,in代表输入氢气的摩尔分数。
燃烧室采用集总参数模型，将整个燃烧室作为一个单元，单元内主要考 虑燃烧室壁的模型和燃烧室内气体的模型。对于燃烧室壁来说，只考虑温度模型， 用如下公式计算燃烧室壁的温度，从而构建燃烧室壁模型：其中Vs，ρs和Cs分别代表固态单元的体积、密度和比热容，Qin代表燃烧室壁的 温度。
对于燃烧室内气体，则需考虑气体摩尔分数，摩尔流量和温度，用如下 公式计算：PV＝NRT， 其中in和out分别代表节点的进口和出 口，CV代表体积比热容，X代表气体的摩尔分数，N代表摩尔数，代表摩尔 流量，T代表温度，h代表热焓，Q代表热传递，nO2为氧气的摩尔数，nH2为氧 气的摩尔数，nCO为氧气的摩尔数，nCH4为氧气的摩尔数，XH2,in代表输入氢气的 摩尔分数，XCO,in代表输入氢气的摩尔分数，XCH4,in代表输入氢气的摩尔分数。
纯氢气SOFC发电系统中的鼓风机与换热器通过管道连接，将空气送入 换热器中，氢气通过管道进入换热器中。换热器将氢气和氧气送到SOFC电堆。SOFC电堆与燃烧室连接。来自燃料气瓶的氢气和来自大气中经过鼓风机的冷空 气分别进入换热器换热后，将温度提升至大约600-700℃，然后进入SOFC电堆 进行发电SOFC电堆后的尾气燃烧室采用催化燃烧的方式将SOFC电堆尾气中剩 余的燃料气体进行回收，燃烧后产生的高温尾气进入换热器预热SOFC电堆入口 处的空气和氢气，然后排出。SOFC电堆输出的低压大电流的直流电，在经过功 率变化后为负载和风机提供电能。
根据上述纯氢气SOFC发电系统的结构和工作原理，将鼓风机、换热器、 SOFC电堆和燃烧室的模型整合为系统模型。
实施例2：一种SOFC系统的数值模拟方法，与实施例1的不同之处在于， 如图4所示，能够模拟SR-SOFC发电系统。SR-SOFC发电系统包括鼓风机、换 热器、SOFC电堆、燃烧室和重整器。燃烧室与重整器连接，重整器还与SOFC电 堆、换热器连接，向SOFC电堆输送甲烷和水蒸气，向换热器输送尾气。
在系统中，甲烷和水蒸气以一定的比例，即重整比(甲烷的量与水蒸气 的量之比)，先通入重整器中进行重整。在系统中燃烧室出来的高温尾气先通入 重整器为重整反应提供热量，然后再通入换热器为空气进行换热。
重整器的模型建立方式如下：重整器主要是用来重整系统入口处的甲烷， 生成氢气等混合气体供电堆发电，主要包括两个部分：表征热动态特性的温度模 型和以化学反应动力学过程为依据的气体组分模型。前者通过能量守恒定律来建 模，后者则是基于化学反应方程来估计产物气体中的各物质组成成分。重整器模 型的建模方程如下：
根据上述SR-SOFC发电系统的结构和工作原理，将鼓风机、换热器、SOFC电堆、 燃烧室和重整器的模型整合为系统模型。
实施例3：一种SOFC系统的数值模拟方法，与实施例2的不同之处在于， 如图3所示，能够模拟SOFC-GT发电系统。
SOFC-GT发电系统包括鼓风机、换热器、SOFC电堆、燃烧室、重整器和 GT单元。在SR-SOFC发电系统的基础上，引入一个GT单元。GT单元主要由 压缩机，涡轮机和发电机三部分组成，这三部分由一根杆子连接，当燃烧室出来 的高温尾气经过涡轮机并带动涡轮机旋转，同时通过连接杆带动两侧的压缩机和 发电机。压缩机则对空气进行压缩，通入换热器进行换热后再进入SOFC电堆进 行发电。涡轮机带动发电机旋转进行发电，为整个系统提供额外的电能。因GT 单元内的压缩机代替了原来结构的鼓风机，所以引入GT后还可以降低鼓风机所 带来的寄生功率，从而提高系统的效率。
GT单元的模型建立方式如下：连接杆的旋转速度则与涡轮机功率Pt，压 缩机功率Pc以及发电机所发出的功率Pgen有关，可通过下述动态方程来描述：其中，N表示连接杆的转速，单位是rpm，ηm为连 接杆的机械效率；J是沿轴心线上的等效转动惯量，包括发电机，压缩机和涡轮 机的转动惯量之和。
根据上述SOFC-GT发电系统的结构和工作原理，将鼓风机、换热器、SOFC 电堆、燃烧室、重整器和GT单元的模型整合为系统模型。
实施例4：一种SOFC系统的数值模拟方法，与实施例1的不同之处在于， 如图4所示，能够模拟SOFC-SOEC联合发电系统。
SOFC-GT发电系统包括鼓风机、换热器、SOFC电堆、燃烧室、重整器、 GT单元和SOEC电堆。在SR-SOFC发电系统的基础上，将SOEC引入系统时， 应将SOEC电堆连接在SOFC电堆之后。SOFC电堆发电后燃料端尾气和空气端 的空气分别进入SOEC电堆的燃料极和空气极，通过太阳能电池板提供的太阳能， 进行共电解反应，生成部分新的燃料气体，直接通入燃烧室进行燃烧。
SOEC电堆的模型建立方式与SOFC的模型建立方式相同。
根据上述SR-SOFC发电系统的结构和工作原理，将鼓风机、换热器、SOFC 电堆、燃烧室、重整器、GT单元和SOEC电堆的模型整合为系统模型。
以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围， 本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (8)

1.一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
S1：将现有SOFC发电系统按照部件分隔为若干模块，包括SOFC电堆、SOEC电堆和燃烧室、换热器、重整器、鼓风机和GT单元；
S2：分别建立并离散化SOFC电堆、SOEC电堆和换热器的分布参数模型；分别建立燃烧室、重整器和GT单元的集总参数模型；
S3：按照现有SOFC发电系统的系统机构和工艺流程集成所述模块的参数模型，最终获得SOFC发电系统的系统模型。
2.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立SOFC电堆的分布参数模型的方法具体包括如下步骤：将电堆分为若干节点，在任意所述节点建立质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模型；所述质量守恒子模型用于计算燃料和空气中各气体的摩尔分数和摩尔流量；所述能量守恒子模型用于建立电堆内固体和流体部分的温度模型；所述电特性子模型用于计算各节点的电压。
3.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立SOEC电堆的分布参数模型的方法具体包括如下步骤：将电堆分为若干节点，在任意所述节点建立质量守恒子模型、能量守恒子模型和电特性子模型；所述质量守恒子模型用于计算燃料和空气中各气体的摩尔分数和摩尔流量；所述能量守恒子模型用于建立电堆内固体和流体部分的温度模型；所述电特性子模型用于计算各节点的电压。
4.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立燃烧室的集总参数模型具体包括如下步骤：搭建燃烧室壁子模型和燃烧室内气体子模型；所述燃烧室壁子模型用于计算燃烧室壁的温度；所述燃烧室内气体子模型用于计算燃烧室内气体的摩尔分数、摩尔流量和温度。
5.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立换热器的分布参数模型具体包括如下步骤：将换热器分为若干节点，计算任意节点的换热器比温度、空气温度、空气管道温度和高温尾气温度。
6.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立重整器的集总参数模型具体包括如下步骤：建立热动态特性温度子模型和气体组分子模型，所述热动态特性温度子模型根据能量守恒定律建立。
7.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立鼓风机的集总参数模型具体包括如下步骤：计算不同空气流量下鼓风机所需的功率：
其中，CP,air为空气等压比热容，Pair,bl和Pair,in分别为鼓风机入口、出口空气的压力，ηbl为鼓风机的能量转换效率，为鼓风机输出的空气流量，r为空气的比热比。
8.根据权利要求1所述的一种SOFC系统的数值模拟方法，其特征在于：建立GT单元的集总参数模型具体包括如下步骤：建立连接杆转速与涡轮机功率、压缩机功率以及发电机发出功率之间的关系，如公式所示：其中，N表示连接杆的转速，单位是rpm，ηm为连接杆的机械效率；J是沿轴心线上的等效转动惯量，包括发电机，压缩机和涡轮机的转动惯量之和。
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