固体氧化物燃料电池系统建模及热管理的研究

固体氧化物燃料电池的研究前沿固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，具有很高的能量转换效率和较低的环境影响。

近年来，固体氧化物燃料电池的研究逐渐走向前沿，不断取得新的突破和进展。

本文将就固体氧化物燃料电池的研究前沿进行探讨。

固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的高温电化学器件，其工作原理是通过将燃料气体（如氢气、甲烷等）和氧气在阳极和阴极催化剂的作用下发生氧化还原反应，从而产生电能和热能。

固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低污染排放、燃料灵活性强等优点，被广泛认为是未来清洁能源的重要选择之一。

在固体氧化物燃料电池的研究领域，有几个方面的前沿研究尤为引人关注。

首先是材料的研究。

固体氧化物燃料电池的性能受到材料的制约，如阳极、阴极、电解质等材料的选择和性能直接影响着电池的性能和稳定性。

近年来，研究人员通过合成新型材料、优化材料结构等手段不断提高固体氧化物燃料电池的性能，如提高电导率、降低极化、提高抗硫化性能等，从而推动固体氧化物燃料电池技术的发展。

其次是界面和反应动力学的研究。

固体氧化物燃料电池是一个复杂的多相多组分体系，其中阳极、阴极、电解质等界面的反应过程对电池性能有着重要影响。

研究人员通过表面工程、界面设计等手段来调控界面反应，提高电池的性能和稳定性。

同时，研究固体氧化物燃料电池中的反应动力学规律，揭示反应速率与温度、压力、成分等因素之间的关系，对于优化电池操作条件、提高电池效率具有重要意义。

此外，固体氧化物燃料电池的堆级系统集成也是当前的研究热点之一。

固体氧化物燃料电池堆是由多个电池单元组成的，堆级系统集成涉及到堆内温度、压力、气体流动等多个参数的控制和优化，旨在提高整个系统的能量转换效率和稳定性。

研究人员通过优化堆内流场、改进堆结构、设计高效热管理系统等手段来提高固体氧化物燃料电池堆的性能，推动固体氧化物燃料电池技术的商业化应用。

最后，固体氧化物燃料电池的智能化和自适应控制也是当前的研究热点之一。

２ 粒 子 群 算 法
粒 子 群 算 法 最 早 是 由 Ｋ ｎ ｅｙ和 Ｅ ｅｈｒ 在 １９ ｅ ｎｄ ｂｒａｔ ９ ５年 提 出 的 。Ｐ Ｏ算 法 源 于对 鸟 类 捕 食 行 为 的 研 究 ， Ｓ 鸟类 捕 食 时 ， 找 到 食 物 最 简 单 有 效 的方 法 就 是 搜 寻 当前 距 离 食 物 最 近 的 鸟
Ｍ ｏ ｅ ｉ ｎ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｉ ｘ ｄ ｕｅ ｅ ｌ ｄｌ ｎｇ ａ ｄ ｉ ｌ ｔｏ ｆ ｓ ｌｄ ｏ ｉ ｅ ｆ ｌｃ ｌ
Ｗ Ｕ Ｄａ ｚ ｏ ｇ —ｈ ｎ ．Ｗ Ｕ Ｌ － ｕ ｉｈ ａ
（ ａｇｕＫ ｙＬ ｂｒｔｒ Ｊ ｎｓ ｅ ａｏａｏ ｏ ｔ ｒｌ ｉ ｌ ｂｅｖ ｉ ｎ ｆｒ ｔ ｏ ｒｃｓｉ， ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ｎｏｍ ｉ ｉ ｙ ｆＭｅ ｏｏｏ ｃ ｓｒａ ｏ ａｄＩ ｏｍａ ｎＰｏｅｓ Ｎ ｎｉ ｎ ｒｔ ｏ ｆｒ ａ ｏ ｅ ｇ ａＯ ｔ ｎ ｎ ｉ ｎ ｎ ｖ ｓｙ ｆＩ ｔ ｎ
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固 体 氧 化 物 燃 料 电池 是 一 种 将 气 体 或 者 气 化 燃 料 的 化 学 能 直 接 转 化 成 电 能 和 热 能 的一 种 能 量 转 换 装 置 【 向 网 络 。 能 够 以 任 意 精 度 逼 近 任 一 连 续 函 数 ， 且 它 并
ｎ ｔ ｒ ’ ｅ ｅａ ｉａｉ ｎ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｓｉ ｒ ｖ ｄ ａ ｄ ｈ ｓ ｓｒ ｎ ｅ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｐ ｏ ｉ ｔｏ ｂ ｌ ｙ ｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔ ｅｗｏ ｋ Ｓ ｇ ｎ ｒ ｚ ｔ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ａ ｔｏ ｇ ｒ ｎ ｎ ｉ ａ ｐ ｒ ｘｍａｉｎ ａ ｉ ｔ ，ａ ｈ ａ ｉ ，ｔ ｅ ｌ ｏ ｍ ｎ ｉ ｍｅ ｈ ｍｏ ｅ ｅ ｏ ｓｍｏ ｅａ ｃ ｒ ｔ． ｉ ｌｔ ｎ ｈ ｗ ｔ ｅｖ ｉ ｉ ｆ ｈ Ｓ ｉ ＯＦ ｄ ｌ ｇ ｄ ｌ ｃ ｍｅ ｒ ｃ ｕ ａｅ Ｓ ｍｕ ａｉ ｓｓ ｏ ａ ｄ ｔ ｏ ｅＰ Ｏ Ｓ Ｃ ｍｏ ｅｉ ｂ ｏ ｈ ｌ ｙ ｔ ｎ ｎ

浊=
W净 Efuel
，
(10)
式(10)中，W 净为系统净发电量，kW；Efuel 为整个发电系
统的输入火用，kJ/kg。
3 模拟结果分析
当系统的输出参数确定后，由于每个换热器出口 点的温度和流体化学物质的量组成不同，可得到发电 系统中的发电效率和输出功率，并得到各个相关的组 成参数。
2021 年第 6 期
之间的比率。忽略直流转交流电的损失，将电效率作
为整个体统的输出功率。在系统中将电效率除去了因
·8·
空气压缩导致消耗的输出功率后得到的量与系统中燃
油机流量的最大值和最小值成正比，即：
U = n = n ， air
air，consumed
n n air，supply
O2，consumed O2，supply
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2021)06-0007-04
Simulation and Optimization of Solid Oxide Fuel Cell System
KONG Weiming, LI Ke
(School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)
f H2，required
(1)
nH2，等价=nH2，in+4nCH4，in+nCO，in+7nC2H6，
(2)
式 (1)～(2)中 ，nO2，required为 合 成 空气 中 O2 需 求 的 物 质 的
量，mol；Uf 为系统燃料利用率；nH2，required为合成空气中

进程不受卡诺循环的限定，具备高效、低污染物排 放的好处，如今已有质子交换膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC )、碱性燃料 电池(Alkaline Fuel Cell, AFC).磷酸盐燃料电池 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC )、固体氧化物燃 料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC )(以下简称
具体因素，探讨了多孔介质燃烧器应用于SOFC系统的可行性。
关键词：固体氧化物燃料电池热管理多孔介质燃烧器
Progress of SOFC Balance of Plant (BOP)
Yang Boran, Chen Zhiguang, Qin Chaokui Gas Institute, School of Mechanical Engineering (TongJi University)
4 I城市燃气2049/03总第529期
杨博然等•固体氧化物燃料电池（SOFC）外围热管理系统研究进展
SOFC ）、熔融碳酸燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC） 5大类。PEMFC, AFC、PAFC属低温型 燃料电池，PAFC、SOFC属高温型燃料电池。
SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最 高的第三代燃料电池系统，除具有燃料电池的一般优 点外，还有以下特点"I： （ 1 ）对燃料的适应性强， 通过外部或内部重整可使用天然气、水煤气、液化石 油气、柴油、生物质气等多种燃料；（2）不需要利 用贵金属催化剂；（3）利用全固态组件，可实现积 木式安装，不存在漏液等安全隐患；（4）操作温度 高（600P ~ 1 000紇）,余热温度高，可实现热电联 供，提高综合利用率。上述特点使SOFC系统既能以 大型固定电站的形式进行区域集中供电，又可以小型 独立移动电源的形式进行热电联供，具有十分广阔的 应用前景叫