一种SOFC系统的数值模拟方法技术方案

本发明专利技术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。

A NUMERICAL SIMULATION METHOD FOR SOFC SYSTEM

【技术实现步骤摘要】
一种SOFC系统的数值模拟方法
本专利技术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。
技术介绍
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。由于本专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果在于：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专利技术作进一步详细说明。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。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌利，
申请(专利权)人：南京特亿达新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32