[發明專利]一種SOFC系統的數值模擬方法

在審

• 申請號: 201810089950.4
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN110098422A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 劉昌利
• 申請（專利權）人: 南京特億達新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;G06F17/50
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 楊春女

本發明涉及燃料電池系統領域，特別涉及一種SOFC系統的數值模擬方法，其技術方案要點是：包括如下步驟：S1：將現有SOFC發電系統按照部件分隔為若干模塊，包括SOFC電堆、SOEC電堆和燃燒室、換熱器、重整器、鼓風機和GT單元；S2：分別建立并離散化SOFC電堆、SOEC電堆和換熱器的分布參數模型；分別建立燃燒室、重整器和GT單元的集總參數模型；S3：按照現有SOFC發電系統的系統機構和工藝流程集成所述模塊的參數模型，最終獲得SOFC發電系統的系統模型。其特點是該模擬方法針對SOFC發電系統，成本低、效率高。

技術領域

本發明涉及燃料電池系統領域，特別涉及一種SOFC系統的數值模擬方法。

背景技術

隨著人類社會的發展，環境問題已不容忽視。固體氧化物燃料電池(SOFC) 因具有全固體結構，高效率，易維護，無污染等優點，已是當前綠色發電技術的 研究熱點之一。SOFC發電系統具有多變量耦合、強非線性的特點，對系統進行 穩態性能分析是后續對系統進行控制的必要條件，也是系統穩定、高效、長時間 運行的基礎。然而,SOFC發電系統的實驗成本高，周期長，容易受實驗器材的影 響，制約了SOFC發電系統的研究進展。而采用數值模擬方法成本低、效率高， 可以對SOFC系統進行穩態性能分析，從而在不同輸出功率下具有最大系統效率 的最優操作點。

針對上述問題，我國現有如下專利：

專利授權公告號：CN101324908，公開了一種固體氧化物燃料電池的多尺度模擬 方法，其特征在于對固體氧化物燃料電池中耦合的熱質傳輸、電化學反應等復雜 物理化學現象進行從微觀尺度到宏觀設備尺度的多尺度模擬以及多尺度模型的 集成及協同仿真方法。由于本發明提出的基于現象的建模方法在宏觀尺度采用機 理建模方法，模型的物理意義明了，準確度高，適應性強。而在介觀尺度和微觀 尺度上采用基于分子或分子微團的模擬方法，從而能夠彌補傳統的單尺度模擬的 缺陷；采用了分層次和不同尺度相結合的方法研究復雜系統，有利于揭示如固體 氧化物燃料電池等復雜系統的本質，為研究復雜系統提供一種嶄新的手段。

然而，該專利僅提供了對于SOFC電池的模擬方法，并未提供針對SOFC 發電系統的模擬方法。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種SOFC系統的數值 模擬方法，其特點是該模擬方法針對SOFC發電系統，成本低、效率高。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：一種SOFC系統 的數值模擬方法，包括如下步驟：S1：將現有SOFC發電系統按照部件分隔為若 干模塊，包括SOFC電堆、SOEC電堆和燃燒室、換熱器、重整器、鼓風機和GT 單元；S2：分別建立并離散化SOFC電堆、SOEC電堆和換熱器的分布參數模型； 分別建立燃燒室、重整器和GT單元的集總參數模型；S3：按照現有SOFC發電系 統的系統機構和工藝流程集成所述模塊的參數模型，最終獲得SOFC發電系統的 系統模型。

通過上述技術方案，建立SOFC發電系統的數值模型，SOFC發電系統建模 的方法有很多種，比如一維到三維的機理模型，集總參數模型等。針對不同的模 型類型，精確度與復雜度不盡相同，例如三維的機理模型固然在準確度上有所提 高，但是同時也增加了仿真計算的復雜度。考慮到SOFC發電系統的整體特性以 及系統中各部件單元需要重點研究的輸出參數，有必要對每一個部件單元選擇合 適的模型搭建方法，以保證系統模型在準確的情況下盡量減少模型的復雜程度， 因此針對發電系統中的模塊和外圍輔助子系統中的模塊分別建立參數模型。

優選的，建立SOFC電堆的分布參數模型具體包括如下步驟：將電堆分為 若干節點，在任意所述節點建立質量守恒子模型、能量守恒子模型和電特性子模 型；所述質量守恒子模型用于計算燃料和空氣中各氣體的摩爾分數和摩爾流量； 所述能量守恒子模型用于建立電堆內固體和流體部分的溫度模型；所述電特性子 模型用于計算各節點的電壓。