固体氧化物燃料电池发电系统的仿真分析开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1、目的及意义(含国内外的研究现状分析)

随着全球工业化的加速及人们生活水平的不断提高,人类对能源的需求持续增长。全球能源的大部分来自化石燃料的燃烧过程,化石类能源是不洁净能源。随着科学技术的发展和世界经济格局的变化,燃料电池作为一种高效、清洁的电化学发电装置,近年来得到国内外普遍重视。燃料电池是一种能量转换装置,它不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能。燃料电池系统具有以下特点:

(1) 能量转化率高。燃料电池直接将燃料中化学能转换为电能,避免了从化学能到热能,再到机械能,然后到电能过程中的能量损失。其能量转换效率不受卡诺循环的限制其理论效率可达80%~90%以上,在实际中已可达45%~70%,如果通过热电共生同时利用高温洁净热能,能量转换效率可以达到 80%。

(2) 环境保护性好。燃料电池作为大、中型发电装置使用时,与火力发电相比,突出的优点是减少大气污染。此外,燃料电池自身不需冷却水,减少了火力发电热排水的热污染和热机活塞、引擎等机械传动部分所形成的噪声污染。

(3) 模块设计,结构紧凑。设备可以模块化,尺寸灵活性大,发电量易于调节。

(4) 位置灵活性好。燃料电池是一种独立的发电体系,由于没有运动部件,所以没有噪声污染,可以方便使用,随意放置,不受周围环境限制。

(5) 可以采用多种燃料。高温操作型燃料电池不需要外部还原系统,在这一方面更具有优势。

继水力发电、火力发电和核能发电后,新发展的燃料电池发电技术以其高效、环境友好的特点将成为第四代发电方式。燃料电池应用主要集中在潜艇、航天等特殊领域,且技术已相对成熟,而民用领域如燃料电池电动汽车、电站等尚处于示范阶段,相关技术距离商业化还有一定的差距,存在着成本、寿命等瓶颈问题。随着燃料电池的商业化推广,市场前景十分广阔。燃料电池既适合作为城市大型发电厂,也适合作为医院、商场、集体宿舍、边远山区的小型发电装置。固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell,简称SOFC)是以固体氧化物作为电解质的高温燃料电池,它适用于大型发电厂及工业应用。在所有燃料电池中,SOFC 的工作温度最高,其工作温度在 800~1000℃之间。在这样高的温度下,燃料能迅速氧化并达到热力学平衡,可以不使用金属催化剂。由于固体氧化物电解质气体渗透性低,电导率小,开路时SOFC电压可达到理论值的96%。与MCFC相比,SOFC的内部电阻损失小,可以在电流密度较高的条件下运行,燃料利用率高,也不需要CO2循环,因而系统更简单。SOFC功率密度大,电化学极化小,对燃料纯度要求低,能量转化效率高,它还可以在电池内部完成燃料的重整处理。因此,SOFC既可作为分散型电站,又能作为大功率集中型电站。

近年来,世界各国在有关高温燃料电池持续运行、控制维护等技术上取得了突破性的进展,但要从实验研究阶段投入到商业化运作中去,仍需要解决高成本的问题。1937年,美国制造历史上第一个SOFC,1962年美国西屋公司开始研究SOFC,80年代获得突破。2000年西门子.西屋公司制造的200kW SOFC电站,用了1152根管式SOFC单电池。美国阿贡国家实验室(ANL)则开发板式SOFC。Acumentrics公司CP-SOFC-100kW型SOFC电站,采用高温管式SOFC技术,提供100kW电力,电站操作温度大约1023K,电效率为40%-50%。日本电子综合研究所1986年制成500kW管式SOFC,2005年在日本爱知世博会上展示的日本制造高温SOFC,也不过50kW,可见发展高温SOFC电堆难度很大。德国海德堡中央研究所20世纪70年代研究的管式SOFC,连续运行了3400h。90年代西门子、于利希等研究板式SOFC,现在于利希板式SOFC电堆的功率已经达到10kW。在国内,我国对燃料电池的研究开发工作也很重视,国家科技部将其列为国家“九五”、“十五”和“863”攻关计划。以中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学、清华大学、 上海交通大学等单位为代表,相续开展了SOFC研究,但是与发达国家比还有很大差距,仍需要付出更多的努力。近20年来,平板式SOFC因为结构紧密,功率密度高,同时其制备工艺可以达到工业批量化生产的标准的特点,发展迅速。目前,因平板式SOFC工作条件较为严格,管理监控组件较为复杂,系统的研制主要是面向分布式供电需求,设计功率大多保持在100~200kW。SOFC的研究从技术上讲已经达到可实用化的程度,制约其商业化的主要问题为系统造价较高,每kW造价为常规火力发电的几倍。因此,通过发明新型结构与制造技术,提高电池性能并降低制造成本为高温SOFC开发的重要方向。

数值模拟成为重要的研究手段。用数值分析的方法,建立SOFC的数学模型,利用计算机进行模拟,可以在运行范围和不同瞬态 条件下对SOFC的性能进行量化预测、仿真和分析,发现潜在问题,做出必要的改进。多年来,各国学者对SOFC的数学模型进行了广泛而深入的研究,从不同的角度建立了各种模型,对提高SOFC的性能已起了重要作用。国内外已有一些学者建立了SOFC的各种数学模型,他们多是从动量、能量、电化学理论以及物理学守恒定律出发,从不同角度建立了各种静态或动态解析模型,这些模型的建立对分析和提SOFC的性能起到了重要作用。根据对SOFC系统的分析可知,它是一个多输入多输出、分布参数特性强的非线性系统,已有的电池数学模型都是建立在各种假设和实验的基础上。由于系统的复杂性,这些模型都不得不作了各种简化。为了完成仿真过程,本文使用了工程计算软件Matlab中的Simulink组件进行系统的建模与仿真工作。SOFC的Simulink对系统精度要求不高,采用模块化编程,先逐个建立系统的各部件模型,最后按照系统的结构图,整合建立的各个子模块来完成SOFC系统的建模。目前国内对固体氧化物燃料电池模型研究报道很少。大多数文献重点介绍了典型模型的建模思想和主要的方程,为实现燃料电池—燃气轮机混合装置的建模仿真做准备。现在国内基本是在SIMULINK仿真平台中建立SOFC的系统模型,然后分析SOFC的气体组分、温度、电流和电压等的分布特性和系统在阶跃变化条件下的动态特性。它的建模范围广泛,可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。采用计算机仿真模拟技术,能够节约实验研究的成本,缩短研究周期,寻找规律, 发现明显设计缺陷。因而采用了集总参数建模方法,以求得到仿真条件下,装置运行状况及响应特性。国外对固体氧化物燃料电池模型研究报道比较多。有关燃料电池稳态工作的 模拟通常牵涉三方面,即电流分布、热平衡及气流场。目前,国内对SOFC/MGT混合发电系统的研究也逐渐增多。卢立宁研究了以天然气为 燃料的内部重整型SOFC/GT混合系统,首先建立了系统的计算模型,然后采用VisualBasic编程计算分析了各项性能参数对系统性能的影响。目前对混合发电系统的控制研究非常有限,且主要是针对单一子系统或单一变量(工作温度或燃料利用率等),缺乏对整个系统的综合控制研究。

作者本次的任务是完成了对平板式SOFC系统的设计和建模以及性能分析,以平板式固体氧化物燃料电池发电系统为研究对象,设计了由不同部件组成的系统,采取模块化的建模方式,将每个部件分别建模,运用Matlab/Simulink组件将各部分模型在其中搭建起来,并结合成一套完整的仿真系统。之后完成了对系统模型的参数设计,确定了系统的工作条件,并通过控制流量改变工况的方式完成系统在设计工况和部分工况下的稳态性能仿真。对SOFC系统的设计和建模以及性能分析,使作者彻底清楚了这个过程中的每一个细节,也让作者认识到了燃料电池的发展现状特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)的未来发展趋势,同时也更深入地培养笔者对工程软件和office办公软件的应用熟练程度,文献的查阅和理解能力以及在设计过程中各方面的协调能力都有所提高。


2. 研究的基本内容与方案

2、基本内容和技术方案

首先,查阅相关文献资料和书籍,熟悉固体氧化物燃料电池的各组成部分,对SOFC系统进行数学建模,完成SOFC的Simulink编程以及仿真分析。,SOFC 系统工作在高温、封闭、复杂的环境下,内部状态测量极为困难,试验分析代价很高,有时几乎是不可能的。目前还只能小规模地对SOFC的部分参数和变量进行测量和分析。相对而言,对SOFC的数值分析成本较低,用数值分析的方法,建立SOFC的数学模型,并对其进行仿真研究。基本内容和技术方案如下:

1. 查阅有关文献资料并作开题报告及文献摘要

2. 翻译英文文献(不少于5000汉字、2万英文印刷符)

3. 建立SOFC系统的动态数学模型。根据相关文献SOFC系统的示范模型,结合现有的实际操作,确定系统的结构图。然后根据理想气体状态方程、质量平衡方程、能量平衡方程以及热力学公式和电功率的转换关系建立数学模型。

4. 完成SOFC的Simulink编程。采用模块化建模的方法,先逐个建立系统的各部件模型。最后按照系统的结构图,整合建立的各个子模块来完成SOFC系统的建模。

5. 完成SOFC系统的仿真分析。在建立的动态模型的基础上,通过参考现有文献和操作经验,完成对SOFC系统的参数选择和设计。然后将这些参数输入到仿真系统里去,调试系统确保系统能够稳定运行。运行系统得到系统设定工况下的运行状态,将这部分仿真结果与实验结果进行比对,验证模型的正确性。之后完成系统其他工况下的稳态性能的分析。

6. 完成毕业设计报告书(内容包括:封面、原创声明、任务书、开题报告、目录、中文摘要、英文摘要、绪论、正文(SOFC的数学模型的建立、SOFC的Simulink编程、SOFC的仿真分析)、结论(或结束语)、参考文献、附录(文献综述、专题小论文)、致谢),共计不少于20000字)。技术文件概念准确、计算准确、语句通顺、内容完整,计量单位及表达正确


3. 研究计划与安排

3、进度安排

第1周: 英文翻译,完成开题报告和文献综述

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4. 参考文献(12篇以上)

4、参考文献

1)王雅, 王傲. 中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望[J]. 船电技术, 2018(7):1-5.

2)王巍,黄钟岳,王晓放. 微型燃机与燃料电池复合装置的应用. 燃气轮机技术, 2006, 19(1): 26–29.

3)吴小娟. 固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机混合发电系统的建模与控制. 博士学位论文, 上海交通大学,2009.

4)李杨. 高温燃料电池—燃气轮机混合动力系统变工况性能分析与实验研究[D]. 上海交通大学, 2011.

5)黄镜欢. 固体氧化物燃料电池的传热传质数值模拟. 硕士学位论文, 南京理工大学, 2004.

6) 宋举星. 燃料电池与微型燃气轮机联合循环系统性能分析. 硕士学位论文, 山东大学, 2006.

7)陶德安. 基于燃料电池-微燃机分布式能量系统的热力性能研究. 硕士学位论文, 华北电力大学,2008.

8)史翊翔,蔡宁生,李振山.SOFC/Micro-GT混合循环系统性能分析. 清华大学学报(自然科学版),2005, 45(8):36–38.

9)段立强,和彬彬,杨勇平 .SOFC/MGT顶层循环混合发电系统改进.
热能动力工程 2010, 25(3): 344–349.

10)张燕燕. 燃料电池与微型燃气轮机混合装置热力性能分析. 硕士学位论文, 尚海交通大学,2002.

11)王景. 基于温差发电-有机朗肯循环联合系统回收柴油机不同工况下排气余热的研究. 硕士学位论文, 天津大学,2013.

12)侯明, 衣宝廉. 燃料电池技术发展现状与展望. 电化学, 2012, 18(1): 1–13.

13)A. Buonomano, F. Calise, M. D. d’Accadia, A.Palombo, M. Vicidomini. Hybrid solid oxide fuel cells–gas turbinesystems for combined heat and power: A review. Applied Energy, 2015, 156: 32–85.

14)K. Huang, S. C. Singhal. Cathode-supported tubularsolid oxide fuel cell technology: A critical review. Journal of PowerSources, 2013, 237: 84–97.

15)Motahar S , Alemrajabi A A . Exergy basedperformance analysis of a solid oxide fuel cell and steam injected gasturbine hybrid power system[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2009, 34(5):2396-2407.

16)AlessandraPerna, MariagiovannaMinutillo, ElioJannelli, VivianaCigolottic, SukWoo Nam, KyungJoong Yoon. Performance assessment of a hybrid SOFC/MGTcogeneration power plant fed by syngas from a biomass down-draftgasifier. Applied Energy,2018, 227:80-91.


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