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操作条件与控制策略对固体氧化物电解池性能影响的研究

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操作条件与控制策略对固体氧化物电解池性能影响的研究

作者：陈涵铭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

操作条件与控制策略对固体氧化物电解池(SOEC)的电压、燃料利用率、温度、温度梯度等结果有着巨大的影响,不良操作条件造成的局部燃料饥饿或内部较大温度梯度是造成SOEC性能衰退的关键因素之一。由于高温原位测试技术的限制,数值模型是... 详细信息

操作条件与控制策略对固体氧化物电解池(SOEC)的电压、燃料利用率、温度、温度梯度等结果有着巨大的影响,不良操作条件造成的局部燃料饥饿或内部较大温度梯度是造成SOEC性能衰退的关键因素之一。由于高温原位测试技术的限制,数值模型是探究SOEC内部物理场分布的主要手段。然而,大多数已报道的SOEC数值模型仅通过I-V曲线进行验证,无法保证电极动力学和传质模型的准确性;在操作条件对稳态性能影响的数值模型中,入口温度的影响常常被忽略;当前SOEC瞬态模拟研究大多采用一维或二维模型,集中在揭示燃料饥饿现象与温度分布情况。另外,运行策略对于SOEC的瞬态特性是至关重要的,而当前针对瞬态过程的安全性优化常常在不合理的运行策略下进行。因此,针对以上问题,本研究分别利用数值模拟和实验的方法进行改进。针对SOEC建立了流体与多孔介质的传热模型,热源上综合考虑了反应热与欧姆热的影响,从而建立了完整的电场-流场-热场多物理场耦合的瞬态数值模型,针对其稳态性能与电极动力学进行了I-V曲线与EIS阻抗双验证。利用上述模型针对不同入口条件与操作温度下SOEC的I-V曲线、EIS阻抗、以及浓度场和温度场变化,提出了有利于SOEC性能提升的操作条件,揭示了入口温度对电解池温度分布的影响。相比于燃料气,入口空气侧的预热对提高温度分布均匀性更为重要。该研究强调了考虑电解池热效应的必要性,并在入口条件与运行温度方面给出合理的操作建议。利用拓展后的SOEC瞬态模型指明了燃料利用率控制策略的优势,在该控制策略的基础上探究了突变参数对于SOEC瞬态响应能力的影响,分析了空气过量系数控制温度的原理与可行性。结果表明,越快速的突变导致越大的超调量和瞬时升温速率;电流突增相比于突降是更为严历的瞬态过程,采用大流量控温是必要的。不当的过量系数反而会在空气入口处造成较大的温度梯度,这与入口空气与出口燃料的换热过程有关;提出电流跟随的空气过量比控制策略,SOEC遭遇电流突变时采用该策略针对降低SOEC内部温度梯度是有效的。开发SOEC单电池实验装置,针对模拟的稳态结果进行定性验证。通过设计夹具、搭建试验台,完成SOEC单电池电解水制氢实验:不同组分下的稳态结果在趋势上与模拟的结果保持一致;组分变化、RSOC的切换、2500 min的耐久性测试均不会造成SOEC的性能衰减;证明了该系统良好的可逆操作性。

关键词： SOEC EIS阻抗操作条件控制策略电解制氢

负载跟踪状态下的铝空气电池堆最优功率点优化方法

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化工学报 2023年第8期74卷 3533-3542页

作者：陈国泽卫东郭倩向志平中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018 中国计量大学现代科技学院浙江杭州310018

基于铝空气电池堆二阶等效电路,建立内阻特性和电气输出特性模型,研究操作条件对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻和电堆总内阻的影响作用和变化规律;以电堆输出满足任意负载需求为前提,以总内阻最小为优化目标,基于“最优功率点”概念,提... 详细信息

基于铝空气电池堆二阶等效电路,建立内阻特性和电气输出特性模型,研究操作条件对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻和电堆总内阻的影响作用和变化规律;以电堆输出满足任意负载需求为前提,以总内阻最小为优化目标,基于“最优功率点”概念,提出一种基于粒子群算法的操作条件优化方法,获得最优工作温度、电解液浓度和输出电压等,实现电堆输出性能优化;通过仿真研究和实验研究,验证模型、方法的有效性和可靠性。研究结果表明:在负载跟踪状态下,电堆工作在最优功率点处其堆内总内阻最小;操作条件对电堆输出性能的影响作用和变化规律,在交流阻抗特性和U-I输出特性中的表现具有一致性;该优化方法能够提高电堆输出性能,减少堆内能量损耗。

关键词：铝空气电池操作条件性能优化内阻特性数学建模

操作条件对诺维信脂肪酶435催化脂化短链醇类游离脂肪酸的生物活性及再生的影响:棕榈油脂肪酸精馏的实例研究（英文）

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2015年第11期23卷 1851-1856页

作者： Sawittree Mulalee Pongrumpa Srisuwan Muenduen Phisalaphong Chemical Engineering Research Unit for Value Adding of Bioresources Department of Chemical EngineeringFaculty of EngineeringChulalongkorn University

In the present study,the effects of operating conditions on biocatalytic activity and stability of Novozym 435 for repeated-batch biodiesel production from free fatty acid(FFA) were investigated.Thermal deactivation caused by increased operating temperature from 45 to 50 ℃ could seriously affect the reusability of Novozym 435.The deactivation of Novozym 435 during the esterification of oleic acid with ethanol tended to be stronger than that in the system with methanol.Under the optimal conditions,considering both biocatalytic activity and stability of the enzyme,Novozym 435 could be reused for 13 cycles for biodiesel productions from oleic acid and absolute alcohols(methanol and ethanol) with FFA conversions of at least 90%.The presence of4%-5%water in ethanol significantly affected the reusability of Novozym 435.Changes in the surface morphology of Novozym 435 during the esterification with various conditions were observed.It was revealed that the reduction in catalytic activity was related to the swelling degree of the catalyst surface.Additionally,biodiesel production from low cost renewable feedstocks,such as palm fatty acid distillate(PFAD) and 95%ethanol was examined.The esterification of PFAD with 95%ethanol catalyzed by Novozym 435 in 10-repeated batch operation showed the similar results in FFA conversion as compared to those using oleic acid.Novozym 435 remained active and could maintain 97.6%of its initial conversion after being used for 10 batches.

关键词：生物催化活性游离脂肪酸酯化反应操作条件脂肪酶乙醇棕榈馏出液

基于典型行业的氨法烟气脱硫中硫酸铵结晶研究进展

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煤炭转化 2022年第4期45卷 92-105页

作者：张圆圆王文振许小静杨凤玲山西大学CO_(2)减排与资源化利用教育部工程研究中心国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室太原030006 山西柳林电力有限责任公司山西吕梁033000

氨法烟气脱硫工艺广泛用于煤化工、钢铁、火电、有色金属和造纸等行业,脱硫副产物硫酸铵的品质直接影响企业的运行稳定和经济效益。本研究通过对煤化工、钢铁、火电、有色金属行业烟气特点的对比分析,将影响氨法烟气脱硫中硫酸铵结晶的... 详细信息

氨法烟气脱硫工艺广泛用于煤化工、钢铁、火电、有色金属和造纸等行业,脱硫副产物硫酸铵的品质直接影响企业的运行稳定和经济效益。本研究通过对煤化工、钢铁、火电、有色金属行业烟气特点的对比分析,将影响氨法烟气脱硫中硫酸铵结晶的因素归为操作条件和杂质引入两大类,其中操作条件包括吸收氧化过程中的氧化条件(催化剂、盐浓度、温度、pH和空气流量)和硫酸铵结晶过程中的结晶条件(pH、温度、搅拌速度),杂质引入分为有机杂质(油类和酚类等)和无机杂质(飞灰、Al^(3+)、Fe^(3+)和Cl^(-)等),分析了操作条件和杂质引入对硫酸铵结晶的影响机制,如过渡金属催化体系对亚硫酸铵氧化速率的提高作用,高盐浓度通过增大液膜阻力、高温通过提高氧溶解能力,影响到亚硫酸铵氧化反应动力学;pH、温度、搅拌速度均会影响硫酸铵溶液的介稳区,以致影响过饱和度,进而影响硫酸铵晶体的大小与晶形;有机杂质会附着在硫酸铵晶体表面,阻碍晶核的生成和晶体的生长,无机杂质可作为非均相核影响硫酸铵结晶,其含量将直接影响晶面生长速率,进而影响硫酸铵晶体的粒径及晶形。进一步针对氨法烟气脱硫中因操作条件控制不当或部分杂质引入导致的现场问题,提出可采取实时监控等方式,及时了解硫酸铵结晶过程中氧化率、产品晶形、有机杂质和无机杂质等所处水平,预判在当前控制条件下硫酸铵溶液的结晶趋势,及时就相关条件做出操作动态调控,实现硫酸铵结晶的过程控制和针对性操作的动态预调整。同时基于系统论观点,从科学研究层面,提出可针对行业特点,从燃料性质、热转化条件、烟气组成及性质、氨水成分、吸收氧化条件、结晶操作条件等全流程多角度系统研究硫酸铵的结晶过程,提出具有行业特色的硫酸铵结晶调控工艺;从企业管理层面,提出需从单元控制的思路向系统控制的思路转变,通过原料端(燃料、氨水、工艺水),到过程端(氧化条件、结晶条件),再到管理侧(质量实时监控),实现硫酸铵结晶在企业运行中的科学控制。

关键词：氨法烟气脱硫行业特点硫酸铵结晶操作条件杂质

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XDLVO理论在膜污染解析中的应用研究

化工学报 2021年第3期72卷 1230-1241页

作者：唐和礼张冰黄冬梅申渝高旭时文歆重庆工商大学国家智能制造服务国际科技合作基地环境与资源学院重庆400067 重庆南向泰斯环保技术研究院重庆400060 重庆大学环境与生态学院重庆400044

膜分离过程中存在的膜污染问题严重制约了膜分离技术的大规模应用。扩展的XDLVO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论可以为膜污染机理的阐述提供理论支撑,它不仅可以用来解析及预测膜污染,还可为膜污染控制提供理论指导。介绍了XDLV... 详细信息

膜分离过程中存在的膜污染问题严重制约了膜分离技术的大规模应用。扩展的XDLVO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论可以为膜污染机理的阐述提供理论支撑,它不仅可以用来解析及预测膜污染,还可为膜污染控制提供理论指导。介绍了XDLVO理论的分析计算方法,综述了XDLVO理论在不同污染物的膜污染行为解析中的应用,讨论了膜面性质及操作条件对膜污染行为的影响以及XDLVO理论对膜污染控制的指导作用,并提出了XDLVO理论在膜污染行为研究中存在的问题以及对未来研究方向的展望。

关键词：膜分离 XDLVO理论界面膜污染膜表面性质操作条件

高温质子交换膜燃料电池性能衰减机理与缓解策略——第二部分:操作条件

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化工进展 2021年第1期40卷 111-129页

作者：王子乾杨林林孙海中国科学院大连化学物理研究所醇类燃料电池及复合电能源研究中心辽宁大连116023 大连洁净能源国家实验室辽宁大连116023 中国科学院大学北京100049

近些年高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)在稳态操作条件下的耐久性已经得到了巨大的改善,然而动态或异常操作条件仍严重影响了HT-PEMFC的寿命。针对该问题,本文概述了HT-PEMFC常见操作条件的特点,系统地总结了常见动态或异常操作条件... 详细信息

近些年高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)在稳态操作条件下的耐久性已经得到了巨大的改善,然而动态或异常操作条件仍严重影响了HT-PEMFC的寿命。针对该问题,本文概述了HT-PEMFC常见操作条件的特点,系统地总结了常见动态或异常操作条件下电池性能的衰减机理及其相应的缓解策略,并整理了该领域内报道的加速应力测试方案与寿命预测方法。最后本文对HT-PEMFC未来的发展进行了展望,随着HT-PEMFC商品化进程的推进,未来新型在线检测/诊断技术的开发、标准化测试方案与寿命预测模型的建立、电堆或系统结构的优化以及装配工艺与生产线的设计等很有可能成为该领域内的研究重点。

关键词：电化学燃料电池高温质子交换膜衰减缓解策略耐久性操作条件优化设计

基于直流内阻和交流阻抗特性的PEMFC水管理状态分析

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化工学报 2020年第7期71卷 3247-3257页

作者：王茹沈永超卫东郭倩中国计量大学基建处浙江杭州310018 中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018

基于Randles等效电路,研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作温度和湿度耦合关系,建立电堆直流内阻和交流阻抗特性模型。通过两种方法相结合,研究不同操作条件下的电化学阻抗谱图和U-I输出特性曲线的变化规律,以及不同水管理状态在直流内... 详细信息

基于Randles等效电路,研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作温度和湿度耦合关系,建立电堆直流内阻和交流阻抗特性模型。通过两种方法相结合,研究不同操作条件下的电化学阻抗谱图和U-I输出特性曲线的变化规律,以及不同水管理状态在直流内阻和交流阻抗变化规律中体现出的对应关系,进而分析水管理状态对电堆输出性能的影响作用。仿真和实验结果表明,温湿度耦合关系下的不同水管理状态,在电化学阻抗谱图和U-I特性曲线中具有一致的变化规律和对应的量化关系;电堆输出性能中的膜干、水淹等现象,在直流内阻值和交流阻抗图的变化中具有明显的表现特征;通过研究水管理状态对两者的影响,能够实现操作条件的优化和电堆输出性能的优化控制。

关键词：电化学阻抗谱湿度操作条件质子交换膜燃料电池水管理状态

基于直流内阻和交流阻抗特性的铝空气电池输出特性分析

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化工学报 2021年第8期72卷 4361-4370页

作者：梁旭鸣沈永超卫东郭倩高志中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018

基于二阶RC等效电路模型与工作机理,建立铝空气电池直流内阻特性模型、交流阻抗特性模型和U-I输出特性模型,研究操作条件变化对电池工作性能的影响。通过研究电池在不同操作条件、不同电流密度工作下的直流内阻特性曲线、电化学阻抗谱... 详细信息

基于二阶RC等效电路模型与工作机理,建立铝空气电池直流内阻特性模型、交流阻抗特性模型和U-I输出特性模型,研究操作条件变化对电池工作性能的影响。通过研究电池在不同操作条件、不同电流密度工作下的直流内阻特性曲线、电化学阻抗谱图以及U-I输出特性曲线的变化规律,分析操作条件变化对电池总内阻与输出性能的影响规律。仿真和实验结果表明,模型具有较高的准确性;操作条件对电池交流阻抗特性与U-I输出特性有明显的影响作用;不同操作条件下电池的交流阻抗谱图和U-I输出特性曲线具有对应的变化规律和量化关系,通过研究操作条件对这两者的影响作用,可为后续操作条件优化、电池输出性能提升奠定基础。

关键词：数学建模操作条件活化传质电化学阻抗谱仿真特性曲线

操作条件对电氧化去除废水中有机污染物的影响研究

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环境工程 2017年第5期35卷 6-10页

作者：于丽花薛娟琴张立华李国平唐长斌西安建筑科技大学冶金工程学院西安710055

为优化电催化氧化操作条件、降低能耗,考察了电解温度、直流电源电流密度、方波脉冲电源频率、占空比等工艺控制参数对苯酚模拟有机废水COD去除率的影响。同时,以水杨酸为羟基自由基(·OH)捕捉剂,通过高效液相色谱分析技术对不同电氧化... 详细信息

为优化电催化氧化操作条件、降低能耗,考察了电解温度、直流电源电流密度、方波脉冲电源频率、占空比等工艺控制参数对苯酚模拟有机废水COD去除率的影响。同时,以水杨酸为羟基自由基(·OH)捕捉剂,通过高效液相色谱分析技术对不同电氧化操作条件下·OH的生成量进行间接检测。结果发现,苯酚溶液的COD去除率随电解温度的升高而下降,随电流密度的增大而升高;随着脉冲频率与占空比的增加,苯酚溶液COD去除率均呈现先升高后下降的规律,在脉冲频率为500Hz、占空比为50%时达到最高。操作条件对·OH生成量的影响与其对苯酚溶液COD去除率的影响规律一致,表明操作条件通过影响生成及进入到电解体系中的·OH量从而影响电氧化效率。比较发现,脉冲电源的单位COD处理能耗相比直流电源降低44%,具有明显节能效果。

关键词：电催化氧化操作条件脉冲电解羟基自由基苯酚降解