固体氧化物燃料电池多目标优化及热机联合系统性能分析

发布时间：2019-11-13 10:22

【摘要】：随着能源危机的愈发严峻以及环境问题的日益严重,高效率,低污染的能源利用方式越来越受到人们的高度重视。为了有效的利用能源和更好的保护环境,寻求合适的新能源及清洁能源成为世界各国关注的焦点,而不断以提高能量转换装置的性能则一直是能源技术发展的主要趋势。燃料电池是一种高效、洁净的发电装置,它将外界输入的燃料的化学能转化成电能并持续向外供电。这种发电技术不仅缓和了使用化石能源引起的污染排放问题,还提高用电的灵活性和可靠性。本论文建立了一个经典固体固体氧化物燃料电池模型,分析验证了各种运行工况对固体氧化物燃料电池系统的影响,采用遗传算法对燃料电池的效率及体积进行多目标优化；固体氧化物燃料电池的高温余热驱动热机循环,建立了固体氧化物燃料电池-热机混合系统,从而提高总体系统的热力学效率。具体研究内容如下：第一章介绍了燃料电池的发展历史,研究背景和意义。第二章介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理,考虑其热力学及电化学过程的不可逆因素,建立了固体氧化物燃料电池完整的热力学和电化学的不可逆模型。然后,确定一个固定运行参数的燃料电池系统,通过理论分析和数值模拟的方法来研究运行参数如工作温度,压力,电解质厚度,空气当量及燃料当量们对电池性能的影响,得出下一步对燃料电池系统多目标优化计算的理论依据。第三章对于输出功率给定的燃料电池系统,推导出其系统尺寸的数学模型。结合第二章得出的系统效率的数学模型,利用多目标遗传算法进行有关系统效率和系统尺寸的多目标优化计算。其中决策变量有四个,分别是电流密度,空气当量,燃料当量和工作压力。优化过程得出一组反映系统效率优化和系统尺寸优化两者权衡关系的Pareto解集和四个决策变量的解集。通过分析决策变量解集与两个目标变量解集之间的关系,得出决策变量的优化区间。第四章充分利用固体氧化物燃料电池的高品质余热来驱动一个采用不可逆卡诺循环的热机,这样混合系统的输出功率和效率都得到了提升。本章中考虑热力学和电化学不可逆性以及燃料电池与热机之间的导热热阻等各种损失,建立了一个固体氧化物燃料电池与热机联合的混合系统数学模型。其中燃料电池模型采用了本文中以上章节得出的燃料电池模型。通过数值模拟,计算来分析混合系统的整体性能,还有不同运行工况对混合系统性能的影响,得到了混合系统运行参数的优化区间。第五章概括全文的主要内容和结论。总结了论文中的创新点.
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.4

【参考文献】