生物质气SOFC多物理场匹配优化设计与热管理

在能源短缺和环境污染的双重压力下,我国以煤炭为主的能源消费结构急需调整。加快推进可再生能源的发展是加快能源消费结构转型的重要手段。我国作为农业大国,生物质能源储量丰富。生物质气化技术是生物质能高效利用的方式之一,而固体氧化物燃料电池(SOFC)能够直接利用生物质气作为燃料且发电效率受发电规模影响小,非常适合规模小、分布广泛的生物质气。生物质气SOFC发电系统具有很好的发展前景,是未来生物质能源利用的主要发展方向之一。本文基于OpenFOAM开源软件,构建了SOFC单电池全三维多场耦合数值分析模型,并针对生物质气SOFC进行了多物理场匹配优化设计与热管理研究。主要研究工作如下:研究了孔隙率和孔径等微结构参数以及运行温度、燃料流量和运行压力等运行参数对电池性能的影响;研究了顺流、逆流、交叉流三种流动形式以及气体通道正对和交错两种布置方式对电池性能的影响;在热安全限制条件下,研究了SOFC最小冷却空气流量与平均电流密度的关系,并研究了电池结构参数、气体入口温度及燃料利用率对此关系的影响。得到如下结论:1)孔隙率从0.3增加至0.6的过程中,输出电压和功率密度先增加后减少,孔隙率在0.4-0.5时电池输出性能最佳。孔径从0.3μm增加到1.2μm的过程中,输出电压和功率密度均不断增加。但是当孔径增加到0.6μm时,继续增加孔径对输出性能的提升很小。2)增加操作温度,电池输出性能不断增加,电流密度波动更加剧烈,温度分布更加均匀。随着燃气流速的增加,输出性能提高,燃料利用率降低。选取最大功率密度点,获得了最优工况下平均电流密度与燃料利用率的匹配关系。增加运行压力,电池输出性能不断提高,多物理场分布更加均匀。但当运行压力高于0.5Mpa时,继续增加运行压力对电池性能的提升不大。3)顺流、逆流、交叉流三种流动形式对电池输出性能的影响不大。顺流配置时多物理场分布最为均匀,性能最佳。正对和交错两种布置对电池输出性能影响不大,交错布置时多物理场分布更加均匀。4)在满足最高温度和最大温度梯度限制的条件下,获得了平均电流密度和最小冷却空气流量之间的指数函数关系式。随着电流密度的增加,所需要的最小冷却空气流量也增加。气体入口温度对最佳冷却空气量的影响明显,在平均电流密度为10000 A/m~2的工况下,入口温度从1073K变为873K,最佳冷却空气量增加了2.5倍。