固体氧化物燃料电池传热传质模型研究

论文摘要

燃料电池是将化学反应的化学能直接转变为电能的装置。和传统的热机相比,燃料电池具有更高的电效率,并且燃料电池是一种环境友好的发电方式。固体氧化物燃料电池（SOFC）属于高温燃料电池,除具有燃料电池的一般特点外,其高温排气也可以进一步加以利用。 SOFC的设计形式主要分为平板式和管式两种。管式SOFC是设计和制造技术较为成熟的一种。由于SOFC的工作温度在1000℃附近,因此通过实验来测量电池内的电流密度分布、固体和气体的温度分布以及气体的成分比较困难。数学模型可以用来考察电池在各种运行条件下的性能,是预测电池的稳态和非稳态性能以及优化电池运行和结构的有效工具。 本文建立了描述管式SOFC的数学模型,研制了平板式SOFC单体并建立了实验系统对电池性能进行了测试。此外,本文对三个以甲烷为燃料的SOFC发电系统进行了能量分析和火用分析。主要研究工作如下: 1.建立了一个既可以描述电池的稳态性能又可以描述电池非稳态性能的数学模型。模型中考虑了造成电池输出损失的三种极化现象:欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中,除了考虑传导和对流换热外,本文也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。 分析了平均电流密度、燃料和氧化剂进口温度和流量对电池稳态和非稳态性能的影响;研究了电解质厚度对电池输出功率的影响:计算了燃烧区长度对电池稳态和非稳态性能的影响。 2.研制了平板式SOFC电池并对其进行了性能测试。制作了Ni-YSZ|YSZ|LSM电池片,将其设计组装成电池性能测试系统。以H2燃料,O2为氧化剂,测试了电池开路电压和温度的关系并分析了原因,同时考察了电池的电流-电压特性和电流-功率特性。 3.对以甲烷为燃料的三种SOFC发电系统进行了热力学分析。为了提高整个系统的发电效率,本文采用火用的概念来对系统中热力设备的可用能损失进行分析。计算结果表明,对于由SOFC和燃气轮机组成的联合发电系统,其发电效率可达60%,整个系统的联合热电效率大约为80%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池的研究背景及课题意义
• 1.1.1 燃料电池的概念及特点
• 1.1.2 燃料电池的发展历史、研究现状及应用
• 1.2 固体氧化物燃料电池研究进展
• 1.2.1 SOFC构件研究进展
• 1.2.2 管式SOFC实验研究进展
• 1.2.3 管式SOFC数值模拟研究进展
• 1.2.4 SOFC发电系统研究进展
• 1.3 SOFC研究状况总结
• 1.4 本文的研究内容
• 2 固体氧化物燃料电池数学模型
• 2.1 管式SOFC数学模型的研究内容和假设条件
• 2.2 管式SOFC数学模型的建立
• 2.2.1 电化学模型
• 2.2.2 传热模型
• 2.2.3 边界条件的离散格式
• 2.3 离散方程的求解
• 3 数值模拟计算结果及分析
• 3.1 参数的给出
• 3.2 模拟结果和实验结果的比较
• 3.3 管式SOFC数值模拟计算结果分析
• 3.3.1 等温下电池整体性能分析
• 3.3.2 管式SOFC稳态数值模拟计算结果及分析
• 3.3.3 管式SOFC非稳态模拟
• 3.3.4 管式SOFC结构参数对电池性能的影响
• 3.4 小结
• 4 平板式固体氧化物燃料电池性能测试
• 4.1 SOFC电池片的制备及单体电池的结构
• 4.2 SOFC性能测试系统
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 电池的工作温度对开路电压的影响
• 4.3.2 燃料气体流量对电池开路电压的影响
• 4.3.3 不同工作温度下电池的性能测试
• 4.3.4 电解质厚度对电池输出功率的影响
• 4.4 小结
• 5 固体氧化物燃料电池发电系统研究
• 5.1 SOFC简单发电系统性能分析
• 5.1.1 SOFC简单发电系统数学模型
• 5.1.2 SOFC简单发电系统能量分析
• 5.1.3 SOFC简单发电系统（火用）分析
• 5.2 SOFC-燃气轮机发电系统性能分析
• 5.2.1 SOFC-燃气轮机联合发电系统能量分析
• 5.2.2 SOFC-燃气轮机发电系统（火用）分析
• 5.3 SOFC-燃气轮机-蒸汽轮机联合发电系统性能分析
• 5.3.1 SOFC-燃气轮机-蒸汽轮机联合发电系统能量分析
• 5.3.2 SOFC-燃气轮机-蒸汽轮机发电系统（火用）分析
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书