多物理场模拟，流体动力学的反渗透淡化，与斯特林热机的协同效应

寻找远方的自己

文/观文史说
编辑/观文史说
与环境和能源相关的危机需要开发清洁高效的能源技术，燃料电池作为有吸引力的能源技术，用于有效地将燃料的化学能转化为电能。
这些不同类型的燃料电池和固体氧化物燃料电池（SOFC）是最具吸引力的类型，因为它们的温室气体排放量低、使用燃料的灵活性、价格实惠的催化剂和显著的电化学反应速率。

对 SOFC 的研究集中在不同的方面，包括作为电极的新型材料的制造及其热管理、增强其耐用性，先进和新原型的开发并将其细胞建模为单个单元，这些燃料电池的高工作温度使得可以利用底部循环中产生的高品位热量来发电。

在三联产或热电联产系统中应用SOFC可以将能源效率和火用效率分别提高80%和60%，通过采用不同的分析方法，对由使用不同燃料并与各种底部循环耦合的SOFC组成的混合系统进行了各种研究。
01固体氧化物燃料电池的工作机制

固体氧化物燃料电池基于电化学原理，通过氧化还原反应将化学能直接转化为电能，而无需燃烧过程产生热能，SOFC的基本原理涉及两个关键半反应：氧化反应和还原反应。
在氧化反应中，燃料（如氢气或可燃性气体）在阳极表面氧化成氧化物，并释放出电子和氧离子，在还原反应中，来自外部电路的电子与氧离子在阴极表面结合，生成水和热能。
这些半反应共同构成了SOFC的工作机制，电子从阳极流向阴极，通过外部电路驱动实现电能的产生。

固体氧化物燃料电池的工作机制与其电解质的特性密切相关，SOFC的电解质通常由固体氧化物材料（如氧化钇稳定的氧化锆、氧化钡稳定的氧化锆等）构成，这些材料在高温下表现出良好的离子传导性能。
在高温环境下，氧离子（O^2-）能够在电解质中自由传导，从而实现电化学反应。
工作时，氧离子从氧化物燃料电池的阳极（负极）迁移到阴极（正极），而电子则通过外部电路从阴极流向阳极。

这种氧离子和电子的迁移产生了电势差，驱动电流在外部电路中流动，从而产生电能，在阴极，氧离子与电子结合，与氢气或其他可燃性气体反应，形成水蒸气，而在阳极，氧化物材料吸附氧气，并促使燃料氧化。
SOFC的高温操作环境不仅有助于氧离子传导，还有利于提高燃料的反应速率，从而实现更高的效率。
然而，高温也带来了材料的耐久性和热管理等挑战，因此需要设计适当的材料和冷却系统来解决这些问题。
02优化算法

在多目标优化问题中，研究人员会得到一组被称为帕累托前沿的解，这些解揭示了在目标函数空间中最接近匹配的解集。
为了应对这种问题，研究人员采用了多目标进化算法，这些算法能够克服传统方法所面临的困难。
在当前的研究中，帕累托前沿是通过使用NSGA-II算法获得的，该方法的基本概念在参考文献中有详细介绍。

为了确定最佳解决方案，需要进行一系列被称为“决策”的过程，多种方法被用作决策工具，用于从帕累托前沿中选择最终的解决方案。
为了克服由于不同尺度目标可能引发的问题，研究人员对目标进行了标准化，在决策过程中，需要对向量进行无量纲化，其中线性、模糊和欧几里得等方法被广泛应用。
TOPSIS和LINMAP方法都涉及将欧几里得距离用于无量纲化，而模糊方法则通过引入模糊性来实现此目的，更详细的决策方法细节可以在之前的研究中找到。

在这项研究中，涉及三个目标函数：功率密度、exd和，这些目标函数由方程来描述，尽管在不同的优化方案中可能涉及不同的决策变量，但这些变量通常需要在合理的范围内进行调整，因此，目标函数受到决策变量的限制。
03不同温度下的电池电压和电流密度
在恒定电流密度的条件下，随着温度的上升，燃料电池的电压也会增加，这是因为燃料电池的电压与其内部电压直接相关。

通过升高温度，内部电压随之增加，进而提高了燃料电池的总体电压，在保持恒定温度的情况下，增加电流密度会导致燃料电池的电压下降。
这是因为内部电压与电流密度成反比关系，因此提高电流密度会降低内部电压，最终导致燃料电池的整体电压降低。
在恒定电流密度下，通过提高温度，燃料电池的输出功率性能也会提升，这是因为燃料电池的输出功率与其内部电压值密切相关，而内部电压值与温度直接相关。

增加温度，内部电压值增加，进而导致输出功率值的增加，同样地，在恒定温度下，增加电流密度会导致燃料电池的输出功率下降，这是因为电池功率与电流密度成反比关系，增加电流密度会降低内部电压，最终导致燃料电池的输出功率降低。
在恒定密度的条件下，通过提高温度，燃料电池的效率也会提高，这是因为燃料电池的效率与其功率输出值相关，而功率输出值与温度直接相关。
通过增加温度，功率输出值增加，进而提高了燃料电池的效率，在恒定温度下，增加电流密度会导致燃料电池的效率下降。

这是因为电池功率与电流密度成反比关系，增加电流密度会降低输出功率，从而降低燃料电池的效率，可以得出结论，要提高燃料电池的性能，应当考虑提高温度以及适当控制电流密度。
另一个影响燃料电池性能的关键参数是电解质厚度，在恒定电流密度下，通过增加电解质厚度，燃料电池的输出功率和电压会降低，这是因为燃料电池的内部电压与电解质厚度直接相关。
由于增加电解质厚度，内部电压降低，从而导致输出功率和燃料电池电压的降低，同样在保持电解质厚度恒定的情况下，增加电流密度会导致燃料电池的功率值和电压值降低，这是因为电流密度与内部电压成反比关系。

在恒定电流密度下，通过增加电解质厚度，燃料电池的效率也会降低，这是因为燃料电池的效率与其功率输出值相关，而功率输出值与电解质厚度成反比关系，因此通过增加电解质厚度，燃料电池的输出功率降低，最终燃料电池效率也会降低。
保持恒定电解质厚度的情况下，增加电流密度会导致燃料电池的效率降低，这是因为燃料电池输出功率与电流密度成反比关系，增加电流密度会降低输出功率，从而降低燃料电池的效率。
04不同的氢摩尔分数下电流密度的变化

在恒定电流密度下，透过增加氢气的摩尔分数，燃料电池的输出功率将得到提升，这是因为输出功率与摩尔分数之间存在直接的关系，因此透过增加摩尔分数，燃料的输出功率也会随之增加。
燃料电池的输出功率将会随着电流密度的增加而减少，因为燃料电池的输出功率与电流密度成反比关系，随着电流密度的增加，燃料电池的输出功率也会相应下降。
在固定电流密度下，透过增加氢气分数，燃料电池的效率也将提高，这是因为燃料电池的效率与其功率输出值相关，而功率值与燃料电池的输出功率直接相关。
透过增加氢气的摩尔分数，燃料电池的功率输出增加，最终燃料电池的效率也会随之增加，同样地，在摩尔分数保持恒定的情况下，燃料电池的效率会随着电流密度的增加而降低。

由于燃料电池的输出功率与电流密度成反比关系，透过增加电流密度，燃料电池的功率输出将减少，从而导致燃料电池效率的降低。
电流密度是影响燃料电池性能的关键因素，当电流密度增加时，燃料电池的功率输出和效率都会受到影响，具体而言，透过增加电流密度，燃料电池的功率输出值和效率会降低。
这种现象是由于电流密度的增加会导致内部电阻增加，从而导致燃料电池内部的电压降低，进而影响功率输出值和效率。
随着电流密度的逐渐增加，燃料电池的输出功率最大值会减小，但燃料电池的效率的最大值保持恒定，此外，通过增加电流密度，燃料电池的功率先增加后减少。

这是因为随着电流密度的增加，电流损耗也会增加，从而导致燃料电池的内部电压降低，尽管初始时内部电压较高，可以实现更高的功率输出，但随着电压的降低，功率输出逐渐减少。
对于燃料电池的效率，情况也类似，通过增加电流密度和电流损耗，燃料电池的效率会先增加后减少，这是因为随着电流密度的增加，电流损耗会导致内部电压降低，从而影响燃料电池的效率。
在恒定电流密度i为20000 A/m²的情况下，可以观察到斯特林发动机的最大功率输出Pmax为4100 W/m²。

研究结果显示，随着电流密度的增加，斯特林发动机的功率输出值呈现先增加后减小的趋势，这种趋势的背后原因在于斯特林发动机的输出功率与电流密度成反比关系。
透过增加电流密度，斯特林发动机的功率也会先增加后减小，这是因为随着电流密度的增加，损耗也会增加，从而导致斯特林发动机的电压降低，尽管初始电压较高，可以实现较高的功率输出，但随着电压的降低，功率逐渐减小。
而在电流密度为15000 A/m²的情况下，还研究了火用破坏密度（exd）与电流密度之间的关系，发现在该条件下exdmax为1900 W/m²。
通过增加电流密度，火用破坏密度也会增加，火用破坏密度用来描述系统中所有热力学缺陷，因此电流密度的增加会导致损耗增加，从而引发斯特林发动机的一种破坏，因此可以得出结论，增加电流密度会导致火用破坏密度的增加。

这些研究结果揭示了电流密度对斯特林发动机性能的重要影响，通过调节电流密度，可以实现对功率输出和火用破坏密度的控制。
然而，需要注意的是，电流密度的增加也会伴随着电压降低和热力学缺陷的增加，因此在优化斯特林发动机性能时需综合考虑各个因素。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qWQBsxQ
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