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熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合装置系统仿真与半物理实验研究

郝洪亮  
【摘要】: 熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置以其高效、零污染、分布式供能等优点成为新世纪各国重点发展的新能源技术。对熔融碳酸盐燃料电池本体及混合装置系统的稳态及动态特性的研究具有十分重要的意义。本文对熔融碳酸盐燃料电池单体以及熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置的稳态及动态性能进行了数值仿真研究,设计搭建了融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置半物理仿真实验台,并进行了半物理仿真实验研究。主要在以下几个方面取得了一定的进展。 (1)熔融碳酸盐燃料电池单体二维动态仿真研究 本文全面分析了燃料电池内部的伴有电化学反应的传热、传质过程,在综合考虑燃料电池内部热、电、化学特性的基础上,建立了比较完善的熔融碳酸盐燃料电池单体二维动态仿真模型。该仿真模型有效的解决了燃料电池内部温度场、电流密度场和反应气体组分浓度场之间的耦合,能够全面的反映燃料电池热、电和化学特性,准确的了解燃料电池主要性能参数的稳态及动态特性,对燃料电池的制造及运行具有很大的指导价值。 (2)熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能仿真研究 本文在IPSEpro仿真环境下开发了熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能分析模块库,其中包括:燃料电池组模块、催化燃烧室模块、压气机模块、燃气轮机模块、高温换热器器模块和发电机模块等。利用开发的仿真模块,建立了底层与顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能仿真模型。利用搭建的混合装置稳态性能仿真模型,基于热力学第一定律及热力学第二定律,对底层与顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置进行了稳态性能分析。 (3)熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置半物理仿真实验系统的设计 采用半物理仿真方法对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置进行实验研究,是现阶段混合装置实验研究的热点和难点。本文基于半物理仿真的原理,在现有的条件下,设计了混合装置半物理仿真实验系统,选择合适的物理硬件设备及数学模型软件,并综合集成为实验系统,完成了实验台的搭建。 在半物理仿真实验系统中,设计合理、有效的物理模型与数学模型的接口是关键所在。本文设计了精确高效的数-模及模-数接口,实现了数学模型与物理模型的有效结合,完成了半物理仿真实验的功能。


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