开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App

Guest Matteo Lualdi 2016年 8月 23日

本文特约作者是来自 COMSOL 认证咨询机构——resolvent ApS 的 Matteo Lualdi,他将与我们分享开发用于固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell stack,简称 SOFC)堆分析的仿真 App 带来的优势。

对许多企业来说,数值模拟及仿真是贯穿设计工作流程中从产品研发到优化各个阶段的宝贵工具。而仿真 App 进一步扩展了此类工具的应用范围,将复杂的多物理场模型隐藏在了易用的界面之下。让我们来一起看看这样一个案例:固体氧化物燃料电池堆 App。

固体氧化物燃料电池:一个复杂的多物理场系统

想象一下这样一个装置:它既可以为您的住宅提供热能和动力,也可以为您汽车的电机进行充电。此装置可以在产生电能的同时又损耗很小,且不受卡诺循环的限制。这一设想中的装置便是燃料电池。

燃料电池与蓄电池类似,都是通过电化学反应将燃料中的化学能转换为电能。但不同之处在于:蓄电池需要充电,而燃料电池是通过不断补给的化学物质来实现持续供电。SOFC 被公认为是最高效、应用方式最灵活的燃料电池之一,这是因为其动力学损耗非常低。然而在较高温度下, SOFC 性能会有所降低,因此从工程角度来看,其较高的工作温度(600 °C 至 1000 °C)向工程师们提出了更大的挑战。

508px Solid oxide fuel cell.svg  开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
SOFC 示意图。图像不受版权限制,通过 Wikimedia Commons 共享。

由于过高的工作温度及系统整体复杂性,对电池堆内的温度、成分、电流密度等关键参数进行测量是非常困难的。然而测量上述参数对优化装置性能和确定不同工艺条件下可能发生的潜在问题是非常重要的。

借助 COMSOL Multiphysics® 软件的仿真能力,我们便可以精确估算以上参数。软件同时还可用于解释实验结果,让用户可以模拟那些原本成本高昂且难以充分理解的破坏性试验。

在 COMSOL Multiphysics® 中对固体氧化物燃料电池堆进行建模

SOFC 堆的建模需要将具有较大纵横比的复杂几何结构与三维多物理场问题相结合。每个 SOFC 均包含两个反应物流:空气和燃料。这两个反应物流的组分可以不同,同时有多个参数用于描述入口和环境条件。

SOFC stack 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
SOFC 堆模型的几何结构。

由于涉及多个物理场,所有建模需要解决以下问题:

  • 空气和燃料中的化学反应
  • 空气和燃料的流动
  • 空气和燃料中的质量传递
  • 传热
  • 电流

设计这样一个复杂模型并修改其参数需要同时掌握建模技术和数学模拟方面的知识。结合这两项专业工作往往需要运行大量的计算,这对模型开发人员来说是一个沉重的负担,因为他们不得不花费大量时间来运行计算。

多亏有了 COMSOL Multiphysics® 中的 App 开发器,仿真专业人员现在有能力设计一种用户友好的工具,并通过将这件工具部署给组织中其他团队的成员,来共同研究如此复杂的系统。将仿真结果快速提供给用户,这大大提升了整体生产效率,同时也使仿真专业人员拥有了更多的时间来进行模型开发,当然,他们还会继续提供技术支持。

创建用户友好的仿真 App 来分析 SOFC 堆

同上文重点提及的初始模型一样,这里展示的仿真 App 也是由托普索燃料电池(Topsoe Fuel Cell)公司开发的,该公司是 SOFC 技术领域的领导者。对于整个公司来说,模型和对应的仿真 App 是优化 SOFC 堆设计的重要研发工具。

该 App 的用户界面(user interface,简称 UI)设计有多个选项卡,如下方屏幕截图所示。例如,在输入 选项卡里,完全不具备或只具备少量仿真专业知识的用户也可轻易修改 SOFC的工作条件。在本示例中,温度、电流、流动及热损耗等所有状态的参数都可基于特殊的建模需求进行修改。

Stack Model App Operating Conditions1 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
可在 输入选项卡中进行修改的参数。

也许 App 用户具备求解器及其他特殊设置的知识。如果是这样,这些用户可在求解器 & 特殊输入 选项卡中修改与求解有关的多个参数,其中包括质量约束、被氧化物种类,以及不同燃料物质。同时其中还有一个选项可以用于调整与面比电阻(area-specific resistance,简称 ASR)有关的设置。

Stack Model App Solver Settings 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
求解器 & 特殊输入选项卡。

在对设置进行恰当修改后,下一步便是计算仿真。在进行计算时,App 用户需遵循仿真流程进行等待。那么用户可以利用该工具完成哪些计算呢?举一个例子,用户可以用 App 计算 SOFC 堆内的温度分布,如下图所示。

SOFC temperature 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
SOFC 堆内的温度变化。

借助 App,用户还可以分析固体氧化物燃料电池堆内的电流密度及氢气的质量分数。您可以在下图中看到重点显示的仿真结果。

SOFC density 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App
SOFC model fraction 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App

左图:显示了电流密度。右图:显示了 H2 的质量分数。

随着设计工作流程的进展及用户对其装置理解的进一步加深,他们可能会要求修改参数或添加新的参数,并需要输出新的仿真分析结果。由于 App 开发器的灵活性和可定制性,App 设计者们可便捷地修改上述参数以满足终端用户的特殊需求。

体验仿真 App 的开发与使用带来的优势

将复杂模型转化为 App 是将仿真功能呈现给更多人的一种有效解决方案。无论是将 App 部署给您组织中的其他工程师、系统开发人员,还是销售人员,此类工具都是快速传递可靠仿真结果的可行资源,同时还可帮助用户验证运行策略或加深对实验结果的理解。

从顾问 – 客户的角度来看,一个包含有 App (基于验证模型)的设计工作流程能为客户创造更大价值。客户现在有能力探索不同参数对设计的影响,从而获得更加快速可靠的结果,而不是像原来那样只能接收到包含少量灵敏度分析的报告。

关于特约作者

matteo11 开发用于优化固体氧化物燃料电池(SOFC)堆设计的 App

Matteo Lualdi 是 COMSOL 认证咨询机构——resolvent ApS 的仿真项目经理。他分别在米兰理工大学和瑞典皇家理工学院获得了能源工程硕士学位,这两所大学均隶属于欧洲顶尖工科大学联盟(Top Industrial Managers for Europe,简称 T.I.M.E.)。之后,他获得了瑞典皇家理工学院的化学工程博士学位。在加入 resolvent ApS 之前,他从事着燃料电池和催化剂业务方面的工作,主要负责系统仿真和催化反应器的定型。


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