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由于受能源问题、环境等问题的影响,近年来SOFC(固体氧化物燃料电池)技术取得了迅猛的发展,尤其是在电池的性能和电堆的可靠性方面。目前,限制SOFC商业化最大的阻碍就是缺乏稳定可靠且寿命较长的系统。而对于系统的研究,模拟是一个省时快速且成本较低的方法。SOFC系统涉及换热、反应和燃烧等物理化学过程,比较复杂。大型商业化软件AspenPlusTM是研究其的有效工具。但是目前AspenPlusTM软中,并没有SOFC模块,因此,建立可用于软件的SOFC模块是非常有必要的。
建立SOFC模型的基础,要求准确的模拟其中的电化学过程,尤其是I—V曲线。基于宁波材料所生产的商业化10×10cm2阳极支撑SOFC电池实验数据,对其进行了电化学模拟分析。在模型中,我们考虑了活化极化、欧姆极化和浓差极化过电势。在活化极化过电势的计算中,一个通常被忽略的参数—三相线的长度被考虑在内。同时,我们还分析了三相线长度、孔隙率、阳极、阴极和电解质厚度等结构参数和操作温度、操作压力等工作参数对电池性能的影响。
在建立的电化学模型的同时,质量守恒模型和能量模型也被建立,它们合起来构成了SOFC的宏模型。宏模型由Fortran90编程语言开发,并开发成AspenPlusTMUser2用户模块,然后封装集成到软件中。由于SOFC电堆和系统结构的复杂性,其燃料利用率不可能像电池那样可稳定维持在85%。目前,宁波材料所模块化生产的电堆其燃料利用率一般维持在50%左右。基于这个参数,和目前通过实验取得的的重整、燃烧和换热等数据,我们对一个基本的系统进行了模拟。模型中包括一个SOFC电堆、空气预热器、水蒸发器、甲烷预热器、燃烧器和重整器等设备。由于炯分析是一个公认的比较好的能源系统分析方法,因此,在模拟分析的基础上,我们对系统进行了(火用)分析。结果显示由于系统电效率太低,导致系统整体性能比较低,并且使部分部件的工作温度上升。因此,对作为改进的双电堆系统和阳极尾气回流系统也进行了(火用)分析。
虽然宏模型对系统分析有速度快和硬件要求低等诸多优点,但由于其不能准确反应出电堆的工作状况,因此还是有很大局限的。而目前得到发展的有限体积法,为解决这一问题创造了机会。因此,我们建立了阳极支撑SOFC的有限体积模型。并用其对SOFC基本系统进行了分析,给出了在系统工作状况下电池的性能参数。