变工况条件下SOFC不可逆热力学性能研究
发布时间：2021-10-08 02:34
固体氧化物燃料电池（SOFC）质、热传递及电化学反应等均属不可逆传递过程,将其存在的唯象关系与熵产结合,对SOFC中粘性耗散、热传导、扩散传质、活化极化及欧姆热熵产等进行度量,并考察温度、燃料流量、H2摩尔分数、肋宽与通道宽之比（RCR）及通道横截面之比（CSR）对SOFC不可逆热力学的性能影响。结果表明,H2-SOFC中各局部熵产沿电池长度方向均下降,传质熵产占主导,其次是活化极化熵产。各全局熵产与?损失随电流密度的增大而增大,?效率逐渐降低（92%～65%）,发电效率先增后减;工作电压（0.7 V）下,升温以及降低H2摩尔分数和燃料流量,燃料利用率、?效率与发电效率均增大。相同电流密度时,RCR越小,?效率及发电效率越高,CSR对性能影响不显著。
【文章来源】：电源技术. 2020,44(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１?ＳＯＦＣ单通道计算模型??１．２数学模型??１．２．１传输控制方程??
电流密度／（Ａ?？?ｃｎＴ２）??（ａ）各全局熵产??＾?０．９５??备０．９０??顧?０．８５??抽?０．８０??卜５??０．７０??０．０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??Ｘ／Ｌｃｇ??（ａ）平均电流密度及过电势??０．１０??０．０８?，??０．０６?；??０．０４??０．０２??０．００??（ｂ＞各局部熵产??图４?平均电流密度、过电势与各局部熵产沿电池长度；ｃ方向的分布图??向，氏和０２不断被消耗，分子扩散通量减小减小，但随着??浓差逐渐增大，兄趋于平缓。本文气体以层流方式流动，剪??切应力形成的涡流较小，故５＾可忽略不计，导热不可逆不显??著。??２．３不同操作条件对全局熵产及ＳＯＦＣ热力学性能??的影响??２．３．１操作温度的影响??发电过程中全局熵产的变化如图５（ａ）所示，五项全局熵??产均随电流密度的増大而増大，增长率也在变大，而Ｇ？増长??率却减校受燃料利用率影响大，电流密度越大，燃料利??用率越高，但由于产物Ｈ２０的逐渐增加会抑制电化学反应，??使得燃料利用率增量减小；Ｇ的驱动力是温度梯度，随反应??进行，温度梯度增大，增大；与Ｇ。＾的驱动力是电势差，??因为有电势差的存在才会出现电流密度，且活化、欧姆过电??势随电流密度的增大而增大，故ＧｐＧｕ及６。１］？增速加快。此??外，由于ＳＯＦＣ传质受浓差和电势差驱动力的影响，先进行组??分扩散后产生电流密度，解释了?在低电流密度时不以０开??始的原因，而高电流密度区，极化作用增强，（＾越来越大，超??过Ｇ？。??图５（ｂ）为温度对发电过程中烟损失和烟效率的影响。烟??损失随电流密度的增加而增大，畑效率逐
始的原因，而高电流密度区，极化作用增强，（＾越来越大，超??过Ｇ？。??图５（ｂ）为温度对发电过程中烟损失和烟效率的影响。烟??损失随电流密度的增加而增大，畑效率逐渐降低，说明畑效??ｒｆ＿Ｖ＇??１．０５??１．００??０．１４??０．１２??龙洚技木ＥＨ??究与设计??式中：是氏的低热值，为１０．７９?ＭＪ．ｍ３；％是标准状态下??燃料体积流量，ｍＬ／ｍｉｎ；Ｊ是电池有效面积（电池长与宽的乘??积），ｃｍ２〇??１．３数值模拟方案??各物理场及熵产主要计算流程如图２所示。??输入鮝数并定义各域变量Ｉ??设ｓ边界条件与初始条件??二次电流分布（ＢｕｌｔｅｒＡＷｍｅｒ和过电勢??Ｎｍｔ方程解电化学反应动力学）??化竽传壜＜Ｆｉｃｋ定律＋对＊??多孔介＊＊最伟遒＞??＋?＋ｔｔｌ??热［ｍ??ｍ?｜?ｓｔｃ??＋多孔力??置源项??｜自由多孔介？流?＜?自由汰Ｎａｖｉｅｒ－??Ｓｋｔｋｅｒ＾?多孔达西流?Ｂｒｉｎｋｍａｎ?＞??Ｕ多孔介＊传热（热抟导与热对流??单位体积供产分布??计算爛捵失及畑效攀??｜姑果后处理??图２?各物理场及摘产计算流程??２结果与讨论??２．１模型验证??燃料流量为１５．４?ｍＬ／ｍｉｎ，空气流量为６１．７?ｍＬ／ｍｉｎ，将数??值计算出的７００、７５０和ＳＯＯＴ下曲线与实验ＡＦ曲线相比??较，对本文模型进＾１?了验证。如图３所示，本文模型计算结果??与实验结果吻合，代表了电极微观结构、电化学反应和物质／??质量／动量／热量传递的综合作用，间接保证了传输模型对??ＳＯＦＣ性能预测的可靠性。，??电流密度／（Ａ?？?ｃｍ，??图３?Ｈ２－ＳＯＦＣ实
本文编号：3423258
【文章来源】：电源技术. 2020,44(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１?ＳＯＦＣ单通道计算模型??１．２数学模型??１．２．１传输控制方程??
电流密度／（Ａ?？?ｃｎＴ２）??（ａ）各全局熵产??＾?０．９５??备０．９０??顧?０．８５??抽?０．８０??卜５??０．７０??０．０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??Ｘ／Ｌｃｇ??（ａ）平均电流密度及过电势??０．１０??０．０８?，??０．０６?；??０．０４??０．０２??０．００??（ｂ＞各局部熵产??图４?平均电流密度、过电势与各局部熵产沿电池长度；ｃ方向的分布图??向，氏和０２不断被消耗，分子扩散通量减小减小，但随着??浓差逐渐增大，兄趋于平缓。本文气体以层流方式流动，剪??切应力形成的涡流较小，故５＾可忽略不计，导热不可逆不显??著。??２．３不同操作条件对全局熵产及ＳＯＦＣ热力学性能??的影响??２．３．１操作温度的影响??发电过程中全局熵产的变化如图５（ａ）所示，五项全局熵??产均随电流密度的増大而増大，增长率也在变大，而Ｇ？増长??率却减校受燃料利用率影响大，电流密度越大，燃料利??用率越高，但由于产物Ｈ２０的逐渐增加会抑制电化学反应，??使得燃料利用率增量减小；Ｇ的驱动力是温度梯度，随反应??进行，温度梯度增大，增大；与Ｇ。＾的驱动力是电势差，??因为有电势差的存在才会出现电流密度，且活化、欧姆过电??势随电流密度的增大而增大，故ＧｐＧｕ及６。１］？增速加快。此??外，由于ＳＯＦＣ传质受浓差和电势差驱动力的影响，先进行组??分扩散后产生电流密度，解释了?在低电流密度时不以０开??始的原因，而高电流密度区，极化作用增强，（＾越来越大，超??过Ｇ？。??图５（ｂ）为温度对发电过程中烟损失和烟效率的影响。烟??损失随电流密度的增加而增大，畑效率逐
始的原因，而高电流密度区，极化作用增强，（＾越来越大，超??过Ｇ？。??图５（ｂ）为温度对发电过程中烟损失和烟效率的影响。烟??损失随电流密度的增加而增大，畑效率逐渐降低，说明畑效??ｒｆ＿Ｖ＇??１．０５??１．００??０．１４??０．１２??龙洚技木ＥＨ??究与设计??式中：是氏的低热值，为１０．７９?ＭＪ．ｍ３；％是标准状态下??燃料体积流量，ｍＬ／ｍｉｎ；Ｊ是电池有效面积（电池长与宽的乘??积），ｃｍ２〇??１．３数值模拟方案??各物理场及熵产主要计算流程如图２所示。??输入鮝数并定义各域变量Ｉ??设ｓ边界条件与初始条件??二次电流分布（ＢｕｌｔｅｒＡＷｍｅｒ和过电勢??Ｎｍｔ方程解电化学反应动力学）??化竽传壜＜Ｆｉｃｋ定律＋对＊??多孔介＊＊最伟遒＞??＋?＋ｔｔｌ??热［ｍ??ｍ?｜?ｓｔｃ??＋多孔力??置源项??｜自由多孔介？流?＜?自由汰Ｎａｖｉｅｒ－??Ｓｋｔｋｅｒ＾?多孔达西流?Ｂｒｉｎｋｍａｎ?＞??Ｕ多孔介＊传热（热抟导与热对流??单位体积供产分布??计算爛捵失及畑效攀??｜姑果后处理??图２?各物理场及摘产计算流程??２结果与讨论??２．１模型验证??燃料流量为１５．４?ｍＬ／ｍｉｎ，空气流量为６１．７?ｍＬ／ｍｉｎ，将数??值计算出的７００、７５０和ＳＯＯＴ下曲线与实验ＡＦ曲线相比??较，对本文模型进＾１?了验证。如图３所示，本文模型计算结果??与实验结果吻合，代表了电极微观结构、电化学反应和物质／??质量／动量／热量传递的综合作用，间接保证了传输模型对??ＳＯＦＣ性能预测的可靠性。，??电流密度／（Ａ?？?ｃｍ，??图３?Ｈ２－ＳＯＦＣ实
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