基于固体氧化物燃料电池的分布式总能系统的集成与分析

论文摘要

当今世界,能源和环境问题日益严峻,人们为此不断探索追求高效、清洁的理想能源,分布式总能系统的概念正是在这种背景下应运而生。在国内外学者的不懈努力下,已探索出以燃气轮机、内燃机、高温燃料电池等多种能量设备为原动机的总能系统构成方式。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池技术,以其高效、无污染且余热利用价值大的特点,使人们普遍认识到其作为分布式总能系统原动机的优越性。因此,开展基于SOFC的分布式总能系统的研究对于缓解能源和环境问题具有重要意义。本文的内容主要分为三个部分。首先,介绍了燃料电池的基本概念、原理和特点,其中重点介绍了作为总能系统原动机的固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展现状,并建立了相关的数学模型。通过与西门子西屋公司100kW的SOFC试验电站的运行数据进行对比,验证了所建模型的有效性。然后具体分析了温度、压力、电流密度等参数对电池性能的影响。得出的结论为：温度的提升有利于SOFC输出功率的增加,但却使发电效率降低,当温度超过1000℃时,SOFC相对于普通热机已没有明显优势。SOFC的性能随压力升高而改善,但也对电池的密封条件提出了更高的要求。电流密度增加后,电池功率先增后减,是因为功率受到电流和电压两方面影响的结果。第二部分主要在前人的基础上建立了新型的SOFC总能系统集成方式。目前,SOFC的集成方式主要是SOFC的高温排气进入燃气轮机(GT)膨胀做功组成SOFC/GT联合循环或是驱动吸收式制冷机,以利用余热。本文则在以上能量梯级利用的基础上,用SOFC/GT联合循环的排气驱动对热源要求较低的单效溴化锂吸收式制冷机,从而实现了能量的三级利用。第三部分建立了新型总能系统中压气机、透平、制冷机等部件的数学模型。通过计算得出了额定工况下的系统参数,然后以此为基础,分析了变工况下电流密度、压气机压比、燃料利用率和过量空气系数对系统性能的影响。结果表明,电流密度增加后,发电效率降低,排气温度升高,制冷量增加。随着压比的升高,压气机耗功增多,电池功率下降,制冷量也减少。当燃料利用率为0.85时,电池效率最高,利用率进一步增大时,电池效率下降,制冷量微升。过量空气系数增大会带走更多热量,不利于系统性能,但对于控制电池温度,保证安全运行有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 本文的主要研究内容
• 1.3 EES简介
• 第二章 SOFC模型建立与性能分析
• 2.1 燃料电池概述
• 2.2 燃料电池的原理与分类
• 2.2.1 燃料电池原理
• 2.2.2 燃料电池的分类
• 2.3 燃料电池的理论基础
• 2.3.1 燃料电池的化学热力学分析
• 2.3.2 燃料电池的极化
• 2.3.3 燃料电池的效率
• 2.4 SOFC数学建模和模型验证
• 2.4.1 固体氧化物燃料电池概述
• 2.4.2 SOFC研究现状
• 2.4.3 SOFC数学建模假设
• 2.4.4 电池反应及其化学平衡
• 2.4.5 SOFC电池堆的输出电流、电压及功率
• 2.4.6 SOFC电池堆模型的验证
• 2.5 SOFC模型计算结果
• 2.5.1 工作温度对SOFC性能的影响
• 2.5.2 压力对SOFC性能的影响
• 2.5.3 电流密度对SOFC性能的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 SOFC分布式总能系统的集成
• 3.1 分布式总能系统研究现状
• 3.1.1 分布式总能系统概述
• 3.1.2 分布式总能系统研究现状
• 3.2 SOFC分布式总能系统的集成
• 3.2.1 SOFC/GT联合循环
• 3.2.2 SOFC/GT+单效溴化锂吸收式制冷机总能系统
• 3.3 本章小结
• 第四章 SOFC分布式总能系统建模及性能分析
• 4.1 燃气轮机数学建模
• 4.1.1 微型燃气轮机简介
• 4.1.2 压气机数学模型
• 4.1.3 燃气轮机数学模型
• 4.2 单效溴化锂吸收式制冷机及换热器
• 4.2.1 单效溴化锂吸收式制冷机
• 4.2.2 换热器模型
• 4.3 SOFC总能系统计算结果
• 4.3.1 额定工况计算结果
• 4.3.2 压比对总能系统性能的影响
• 4.3.3 电流密度对总能系统性能的影响
• 4.3.4 燃料利用率对总能系统性能的影响
• 4.3.5 过量空气系数对总能系统性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 本文的不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表