燃料电池内燃机混合系统热力性能分析
发布时间：2021-06-13 15:55
固体氧化物燃料电池作为一种能源转换装置,可以将燃料中化学能直接转化为电能,具有高效、清洁和环保等优点。由于燃料电池阳极尾气中仍然含有大量未被利用的燃料,结合内燃机可以有效利用其剩余的燃料,从而进一步提高系统电效率,同时内燃机瞬态响快,混合系统可以实现更好的变工况性能。因此燃料电池内燃机混合系统未来具有良好的应用前景。针对燃料电池单体和燃料电池内燃机混合系统,本文主要进行了以下几方面工作:首先,建立了燃料电池内燃机混合系统各部件的数学模型,模型包含固体氧化物燃料电池、重整器、内燃机、换热器、燃烧室、压气机、涡轮。其中,燃料电池模型可以分析电池内部的组分及温度分布,可为参数安全范围分析提供基础。随后对燃料电池和重整器模型进行了简单的分析。对比燃料电池单独系统、燃料电池燃气轮机系统、燃料电池内燃机系统,分析它们的设计点性能,随后对比不同重整方式及阳极循环对对燃料电池内燃机系统性能的影响。结果表明,燃料电池内燃机系统有良好的性能表现;在吸热量相同的情况下,总是采用蒸汽重整系统总效率最高,采用阳极回流可为重整器供水可实现跟高的系统效率。随后,通过优化确定系统的设计点,系统额定效率可达62.81%...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源需求趋势预测
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-无法完全取代化石燃料的[2]。特别是在交通运输领域，不仅要考虑效率和排放问题，还需要考虑重量、体积和功率等问题，虽然近年来电动汽车大量普及，但在航空、航海以及中型底面运输工具仍将以燃油为主。各领域对于能源的需求如图1-2所示。图1-2各领域对于能源的需求从图中可以看出，未来能源仍以化石燃料为主体，提高化石燃料的利用效率仍是发展的重点。但传统的能量转换装置（如内燃机、汽轮机、燃气涡轮）的效率难以有大的提高[9]。这些装置都是先将高品位的化学能通过燃烧转化为低品位的热能，再转化为机械能。将热能转化为机械能过程的效率受到卡诺循环的限制，要提高效率，就必须提高循环的压力和温度，但这又为材料的性能所限制。而在运输领域，为了降低耗油率、增加航程，对于发动机效率提高的要求更加迫切。固体氧化物燃料电池（Solidoxidefuelcells,SOFC）因其高效率（40%~60%）低排放等特点成为目前最有前途的发电方式[10]。固体氧化物燃料电池已经作为地面发电、无人机动力系统而被广泛研究。为了进一步提高固体氧化物燃料电池的效率，燃料电池混合循环的概念被提出并受到广泛的关注。其原理是将燃料电池与额外的动力机械相结合，以利用燃料电池的高温尾气，从而提高效率，而其中最常见的动力机械就是燃气涡轮[11]。固体氧化物燃料电池-燃气涡轮（SOFC-GT）系统是一种可有效利用电池的尾气的有效途径。在系统中，常规布雷顿循环中的燃烧室部分被SOFC电堆所取代。SOFC既提供电能又提供高温燃气。大量关于SOFC-GT混合系统的研究已经发表，从取代布雷顿循环燃烧室的基本思想出发，衍生出了许多不同的布局。其中最常见的SOFC-GT布局是基于增压SOFC堆与传统的布雷顿循环的[12]。由于SOFC和GT的强耦
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-同时，在部分负载时，需要复杂的控制方案才可使系统效率维持在高水平[13]。随着汽车工业的发展，内燃机的技术不断提高，人们正在考虑可否将燃料电池与内燃机结合[14]，其原理如图1-3所示。图1-3燃料电池内燃机系统原理图[14]固体氧化物燃料电池-内燃机混合系统（SOFC-ICE）相较于SOFC-GT系统有许多优点。（1）SOFC-ICE系统中，燃料电池与发动机的耦合相对较弱，便于系统的设计和实现；（2）与SOFC匹配的涡轮多为几百千瓦至及兆瓦的小型涡轮，在这个功率量级内燃机的效率优于燃气涡轮。（3）内燃机的非设计点性能优于燃气涡轮，启动和响应速度也快于涡轮[15]。（4）相较于燃气涡轮，内燃机的运行成本和制造难度更低，结构简单可靠，降低了系统的成本和维护难度。所有这些优点使SOFC-ICE系统成为极有潜力的能量转换方式，有望应用于分布式发电领域，舰船动力，和小型无人机动力领域。不过，将内燃机与燃料电池结合也存在一些问题，内燃机入口的燃料浓度较低，导致燃料不完全燃烧，严重影响内燃机的效率；同时，在SOFC-ICE混合系统中，内燃机使用的燃料为氢气和一氧化碳，而不是传统的汽柴油，燃料入口的温度和压力也与传统内燃机不同，这些都会使内燃机工作性能发生改变，在这情况下内燃机的工作性能，仍需要进一步的研究。燃料电池内燃机混合系统中，各主要部件的工作温度相差较大，为了让系统能够实现，系统部件必须要满足一定的性能条件。例如，换热器性能必须要达到一定的指标，才能使燃料电池尾气温度降到内燃机入口可接受的范围；重整器的水碳比和氧碳比的选择，必须使重整所需水的预热能量，能够有系统的尾气回热完全支持，而不需要额外的能量；燃料电池各控制参数必须合理选择，才能使内燃机高?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统的优化分析[J]. 刘浩仑,张诗琪,吴国策,刘美丽,徐立平,赵英汝. 厦门大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]水蒸气对IT-SOFC/GT混合动力系统性能的影响[J]. 吕小静,陆超豪,耿孝儒,朱新坚,翁一武. 工程热物理学报. 2016(04)
[3]基于生物质气的固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统的性能分析[J]. 耿孝儒,吕小静,翁一武. 动力工程学报. 2015(02)
[4]生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统仿真和实验研究[J]. 姚振鹏,翁一武,刘爱虢,李富强. 现代电力. 2011(06)
[5]固体氧化物燃料电池–燃气轮机混合动力系统的性能及控制策略分析[J]. 李杨,翁一武. 中国电机工程学报. 2010(35)
[6]SOFC-GT混合系统的参数分布与动态特性数值模拟[J]. 包成,史翊翔,李晨,蔡宁生. 工程热物理学报. 2010(03)
[7]SOFC阳极气体循环中气流引射器的设计及仿真分析[J]. 许洪伟,张会生,苏明. 能源技术. 2008(01)
[8]三类固体氧化物燃料电池发电系统热力学分析[J]. 贾俊曦,姜任秋,沈胜强,阿布里提. 哈尔滨工程大学学报. 2007(09)
[9]燃料电池-燃气轮机混合发电装置研究现状[J]. 张会生,翁史烈,苏明. 电源技术. 2006(02)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池及其混合系统的多级建模与仿真研究[D]. 张兄文.西安交通大学 2008
硕士论文
[1]具有碳捕集的SOFC/GT和压缩空气储能混合发电系统特性研究[D]. 刘晓.山东大学 2018
[2]中温固体氧化物燃料电池联合系统分析及实验研究[D]. 袁哲.中国科学技术大学 2009
本文编号：3227836
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源需求趋势预测
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-无法完全取代化石燃料的[2]。特别是在交通运输领域，不仅要考虑效率和排放问题，还需要考虑重量、体积和功率等问题，虽然近年来电动汽车大量普及，但在航空、航海以及中型底面运输工具仍将以燃油为主。各领域对于能源的需求如图1-2所示。图1-2各领域对于能源的需求从图中可以看出，未来能源仍以化石燃料为主体，提高化石燃料的利用效率仍是发展的重点。但传统的能量转换装置（如内燃机、汽轮机、燃气涡轮）的效率难以有大的提高[9]。这些装置都是先将高品位的化学能通过燃烧转化为低品位的热能，再转化为机械能。将热能转化为机械能过程的效率受到卡诺循环的限制，要提高效率，就必须提高循环的压力和温度，但这又为材料的性能所限制。而在运输领域，为了降低耗油率、增加航程，对于发动机效率提高的要求更加迫切。固体氧化物燃料电池（Solidoxidefuelcells,SOFC）因其高效率（40%~60%）低排放等特点成为目前最有前途的发电方式[10]。固体氧化物燃料电池已经作为地面发电、无人机动力系统而被广泛研究。为了进一步提高固体氧化物燃料电池的效率，燃料电池混合循环的概念被提出并受到广泛的关注。其原理是将燃料电池与额外的动力机械相结合，以利用燃料电池的高温尾气，从而提高效率，而其中最常见的动力机械就是燃气涡轮[11]。固体氧化物燃料电池-燃气涡轮（SOFC-GT）系统是一种可有效利用电池的尾气的有效途径。在系统中，常规布雷顿循环中的燃烧室部分被SOFC电堆所取代。SOFC既提供电能又提供高温燃气。大量关于SOFC-GT混合系统的研究已经发表，从取代布雷顿循环燃烧室的基本思想出发，衍生出了许多不同的布局。其中最常见的SOFC-GT布局是基于增压SOFC堆与传统的布雷顿循环的[12]。由于SOFC和GT的强耦
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-同时，在部分负载时，需要复杂的控制方案才可使系统效率维持在高水平[13]。随着汽车工业的发展，内燃机的技术不断提高，人们正在考虑可否将燃料电池与内燃机结合[14]，其原理如图1-3所示。图1-3燃料电池内燃机系统原理图[14]固体氧化物燃料电池-内燃机混合系统（SOFC-ICE）相较于SOFC-GT系统有许多优点。（1）SOFC-ICE系统中，燃料电池与发动机的耦合相对较弱，便于系统的设计和实现；（2）与SOFC匹配的涡轮多为几百千瓦至及兆瓦的小型涡轮，在这个功率量级内燃机的效率优于燃气涡轮。（3）内燃机的非设计点性能优于燃气涡轮，启动和响应速度也快于涡轮[15]。（4）相较于燃气涡轮，内燃机的运行成本和制造难度更低，结构简单可靠，降低了系统的成本和维护难度。所有这些优点使SOFC-ICE系统成为极有潜力的能量转换方式，有望应用于分布式发电领域，舰船动力，和小型无人机动力领域。不过，将内燃机与燃料电池结合也存在一些问题，内燃机入口的燃料浓度较低，导致燃料不完全燃烧，严重影响内燃机的效率；同时，在SOFC-ICE混合系统中，内燃机使用的燃料为氢气和一氧化碳，而不是传统的汽柴油，燃料入口的温度和压力也与传统内燃机不同，这些都会使内燃机工作性能发生改变，在这情况下内燃机的工作性能，仍需要进一步的研究。燃料电池内燃机混合系统中，各主要部件的工作温度相差较大，为了让系统能够实现，系统部件必须要满足一定的性能条件。例如，换热器性能必须要达到一定的指标，才能使燃料电池尾气温度降到内燃机入口可接受的范围；重整器的水碳比和氧碳比的选择，必须使重整所需水的预热能量，能够有系统的尾气回热完全支持，而不需要额外的能量；燃料电池各控制参数必须合理选择，才能使内燃机高?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统的优化分析[J]. 刘浩仑,张诗琪,吴国策,刘美丽,徐立平,赵英汝. 厦门大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]水蒸气对IT-SOFC/GT混合动力系统性能的影响[J]. 吕小静,陆超豪,耿孝儒,朱新坚,翁一武. 工程热物理学报. 2016(04)
[3]基于生物质气的固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统的性能分析[J]. 耿孝儒,吕小静,翁一武. 动力工程学报. 2015(02)
[4]生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统仿真和实验研究[J]. 姚振鹏,翁一武,刘爱虢,李富强. 现代电力. 2011(06)
[5]固体氧化物燃料电池–燃气轮机混合动力系统的性能及控制策略分析[J]. 李杨,翁一武. 中国电机工程学报. 2010(35)
[6]SOFC-GT混合系统的参数分布与动态特性数值模拟[J]. 包成,史翊翔,李晨,蔡宁生. 工程热物理学报. 2010(03)
[7]SOFC阳极气体循环中气流引射器的设计及仿真分析[J]. 许洪伟,张会生,苏明. 能源技术. 2008(01)
[8]三类固体氧化物燃料电池发电系统热力学分析[J]. 贾俊曦,姜任秋,沈胜强,阿布里提. 哈尔滨工程大学学报. 2007(09)
[9]燃料电池-燃气轮机混合发电装置研究现状[J]. 张会生,翁史烈,苏明. 电源技术. 2006(02)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池及其混合系统的多级建模与仿真研究[D]. 张兄文.西安交通大学 2008
硕士论文
[1]具有碳捕集的SOFC/GT和压缩空气储能混合发电系统特性研究[D]. 刘晓.山东大学 2018
[2]中温固体氧化物燃料电池联合系统分析及实验研究[D]. 袁哲.中国科学技术大学 2009
本文编号：3227836
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