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包成科研团队在PECS发表高水平论文

单位(作者):能源与环境工程学院 | 来源: | 更新时间:2019-04-03 | 点击数:

近日,我校能源与环境工程学院包成副教授科研团队在荷兰Elsevier集团旗下期刊《Progress in Energy and Combustion Science》(PECS)上发表题为“Macroscopic modeling of solid oxide fuel cell (SOFC) and model-based control of SOFC and gas turbine hybrid system”的文章,PECS是能源与动力工程领域影响因子最高(IF:25.242)的学术期刊之一,每年发表文章数量仅20篇左右。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)电极反应过程迅速,不必使用贵金属作为催化剂,废热能级高,可与燃气轮机(GT)等组成能量利用率很高的SOFC/GT混合发电系统。同时,由于SOFC的燃料使用范围广,易于CO2富集与分离,与整体煤气化联合循环等相结合可进一步优化我国的多联产能源战略。建模与仿真对SOFC相关科学和技术的发展起着至关重要的作用。

本文对SOFC宏观模型和基于模型的SOFC/GT系统控制方法进行了全面综述。首先围绕多组分传质、内部重整、辐射换热、表面扩散、H2/CO电化学共氧化和电化学阻抗谱(EIS)等SOFC电化学和输运过程建模的几个关键问题展开论述,穿插介绍了作者在该领域所取得的一系列独特成果,包括:基于摄动法和幂函数法的解耦质量/电荷传递解析模型、1D+1D传热/电化学模型及实时高效算法、比容积/比体积交换电流密度非线性关系、基于等效扩散电路的表面扩散和竞争吸附机制、基于角系数解析解的详细辐射换热模型、H2/CO电化学共氧化非线性/自适应宏观动力学模型(见图1)、用于基于物理模型EIS多弧物理解析的“系统动态配置法”等。然后综述了不同维度的SOFC反应流模型,研究了SOFC/GT混合系统的系统构型、安全运行区域、非设计和部分负荷运行、负荷跟踪、控制策略、分散/集中控制器和硬件在环仿真等问题,其中包括:基于神经网络+坐标变换的GT模型、燃料电池系统自适应控制器、辅助系统(BOP)主要部件模型,以及自主研发的多层次天然气内部重整(IR)SOFC/GT仿真平台(获2010年PSE Model-based Innovation Prize Runner-up国际学术奖)等作者的相关成果。为了便于访问,一些有用的数据以表格的形式进行了总结分类。论文最后对该领域的相关问题及发展进行了展望。

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图1 合成气燃料SOFC极化性能实验数据(J.   Electrochem. Soc.,   2003, 150(7): A942)与H2/CO线性和非线性动力学模型对比,可见现有的线性动力学模型在高CO含量时会出现明显的偏差。基于解耦的电荷和质量传递数学模型解析解,作者定义并得到了氢电流分数ω和增强因子(Γ)两个新变量的解析解。当Γ = 1时,模型即退化为常规的线性叠加率;在较高CO浓度时的Γ值,与Matsuzaki实验中H2和CO单一燃料的电化学反应率之比相当,而在CO浓度较低、H2O浓度较高时,Γ高达102~103量级(为Jiang和O’Brien实验中CO的增强效应提供了全新解释);这也是我们定义其为“增强因子”的原因。由于Γ为操作电流密度、燃料组分和温度、压力的函数,该算法首次实现了H2和CO单一燃料电化学动力学,在混合燃料气氛下的非线性、自适应叠加率。进一步引入表面扩散和竞争吸附机制,模型在保持固定的孔隙率/曲折因子的前提下,实现了包含大电流、高燃料利用率工况的电池性能预测。

该研究得到了北京市重点研发计划、高校基本科研业务费等项目的支持。

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(责编:杜嘉庆、邢华超)