DOI:https://doi.org/10.3390/en17051005
原文链接：https://www.mdpi.com/1996-1073/17/5/1005
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 正成为可持续发电领域的领先解决方案，具有高功率能量密度和最小排放。SOFC 的效率可能在发电时超过 60%，在热电联产应用中可高达 85%，远远优于传统的基于燃烧的技术，后者的效率通常约为 35-40%。SOFC 在高温（600°C 至 1000°C）下有效运行，不仅效率高，而且还能产生高品位废热，使其成为热电联产应用的理想选择。然而，这些高运行温度带来了巨大的热管理挑战，需要创新的解决方案来保持系统稳定性和寿命。本综述旨在通过对 SOFC 热管理的最新进展进行详尽分析来应对这些挑战。首先介绍热管理在 SOFC 性能中的重要性，重点介绍其在增强运行稳定性和最小化热应力方面的作用。本综述的核心内容是深入研究各种热管理子系统，例如加力燃烧器、热交换器和先进的热调节策略。本文对近期文献进行了全面研究，重点介绍了子系统设计、燃料管理、流道配置、热管集成和高效废热回收技术方面的创新。最后，我们提供了前瞻性的视角，介绍了 SOFC 热管理的研究现状，确定了未来发展的潜在途径及其对更广泛的可持续能源技术领域的影响。
Figure 1. The basic principle and the major features of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). (a) Schematic of the SOFCs. (b) Schematic illustration of the relationship between achievable electrical efficiency and power plant scale in state-of-the-art fuel-based power generation solutions [11]. Copyright 2016 Elsevier. (c) Shipments of different types of fuel cell [12]. Copyright 2019 MDPI.
Figure 2. The 3D CFD model for a Gas Turbine Combustor, part of a Chemical Reactor Network, includes six fuel inlets and two distinct air inlets [60]. Copyright 2021 Elsevier.
Figure 3. Outlines the design and performance optimization of diverse heat exchangers for SOFCs. (a) Additive manufacturing was used to create 3D heat exchangers (3D-HEX) for space-efficient, leak-proof designs [65]. Copyright 2022 MDPI. (b) A low-pressure drop ceramic exchanger with a quasi-spiral channel array designed for cathode air preheating is elaborated, including design schematics [66]. Copyright ASME 2016 Power Conference.
Figure 4. Outlines the design and performance optimization of diverse heat exchangers for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). (a) The design and positioning of a tubular heat exchanger for an SOFC fuel inlet are explained, with a corresponding design schema [68]. Copyright 2018 Elsevier. (b) A model offering design parameters for rectangular microchannel heat exchangers is discussed [71]. Copyright 2019 Elsevier. (c) A ceramic microchannel reactor are depicted in an exploded view [67]. Copyright 2011 ECS Transactions.
在未来几十年，随着我们面临环境恶化并寻求减少对化石燃料的依赖，预计清洁能源，特别是氢能将得到更广泛采用。预计氢将在电气化过程中发挥关键作用，并有助于全球能源系统的脱碳。这种能源转型趋势带来了许多挑战和机遇，其中之一就是提高性能和可持续性。SOFC 因其高功率/能量密度和低排放输出而备受期待，能够在高温下高效运行并产生适合热电联产应用的高质量废热。虽然高温操作具有显着的优势，但它也对系统内的热管理提出了挑战。在回顾了涵盖 SOFC 热管理子系统、燃烧器、热交换器和热管理策略的文献后，作者得出了三个主要结论：（1）当前的研究主要集中在 SOFC 重整器和烟囱效率上，对加力燃烧器的研究相对较少。燃烧器种类繁多，加力燃烧器类型的选择取决于应用需求和系统设计。在燃烧器设计和性能优化方面，研究人员提供了多种方法和解决方案，包括提高燃烧效率、增强加热方式、优化多孔介质燃烧器等。多孔介质燃烧器在目前的研究中受到了广泛的关注，有可能提高SOFC系统的性能和效率。燃烧器建模和实验验证是关键的研究方向，研究人员利用CFD模型和实验研究探索了燃烧器内的燃烧流场、温度分布和热回收等关键参数。未来的工作可以深入到系统层面，以更好地了解SOFC加力燃烧器稳定运行的条件。(2) 与SOFC系统中的加力燃烧器相比，对热交换器的研究更为广泛，但往往集中于特定类型的燃料电池系统，需要增强优化热交换器的普适性。关于热交换器的可持续性和生命周期分析的研究相对有限，需要更广泛的范围来更好地了解其环境影响。高效燃料电池系统中的热损失和热管理问题仍然是一个挑战，需要深入研究以寻求解决方案。多目标优化和材料和制造技术的改进是未来研究的关键领域。为了实现更高效和可持续的热交换器技术的商业化，需要进一步深入研究以克服这些挑战。（3）对SOFC热管理策略的回顾表明，尽管取得了重大进展，但仍需要解决热管理的复杂性，深化对燃料适应性及其影响的理解，提高系统在高温和极端条件下的效率和稳定性，并开发满足高性能要求的新材料和组件。此外，对于商业化，系统级集成优化、成本效益评估和实际应用验证不容忽视。最后，为确保理论研究与实际应用相一致，需要进一步加强实验验证和多参数模型的优化。
