基于SOFC/GT的新型联供系统热力学分析及多目标优化研究
发布时间：2021-01-07 03:28
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）以其燃料适应性强、高效、易维护、绿色环保等特点,已成为21世纪最具有发展前景的发电方式之一。对于缓解世界能源危机和改善能源结构具有重要意义,也是当前绿色能源发电领域的研究热点之一。根据SOFC工作温度高的特点,将其与燃气轮机组合形成的SOFC/GT联合系统是当前主流的SOFC发电方式。由于SOFC/GT系统排气温度较高,通常匹配一个或多个余热回收利用系统来实现能量的梯级利用,进一步提高联供系统的综合能源利用率。二氧化碳作为最常见的气体之一,不仅无毒无害,而且具有良好的做功能力和较大的做功范围。跨临界二氧化碳循环（Transcritical carbon dioxide cycle,TRCC）是制冷领域较为成熟的热力循环之一,且在核电、热泵等领域都有较好的应用前景。本文将SOFC/GT系统与跨临界二氧化碳循环相结合,研究TRCC与SOFC/GT系统匹配机理,分析重要参数变化对系统性能的影响规律。本文主要研究内容如下:首先,建立SOFC/GT/TRCC系统的数学模型和热力学模型。为了验证系统模型的正确性,将模拟数据与...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?１９８０年中国发电装机结构?图１．２?２０１０年中国发电装机结构??
％的能量转换效率。由于ＳＯＦＣ电堆是由多个单电池堆叠构成的，其发电??能力可以用电池数来调节，因此可以应用于不同的发电场合，满足不同的发电需求。??发电能力为５０ｋＷ左右的小型电站主要应用于气象通信领域；发电能力为２００？??５００ｋＷ的中型发电站，可用于热电联供；ＳＯＦＣ发电能力在丨ＯＯＯｋＷ以上的可结合??燃气轮机组成联合循环系统，并与火力电站的电网配合使用。??固体氧化物燃料电池通常依据结构来分类，主要分为平板型ＳＯＦＣ和管型??ＳＯＦＣ两种［１６＝１７１。平板型ＳＯＦＣ结构如图１．３所示。平板型ＳＯＦＣ的结构为Ａｉｒ／ＹＳＺ??固体电解质／燃料电极，三部分烧结成一体，组成平板“三合一”结构，其间用带有??导气沟槽的双极板连接，使电池互相串联形成电池组。平板型ＳＯＦＣ的主要特点??如下??（１）优点：“三合一”组件制备工艺简单，造价低。由于其管内电流收集均匀，??电流路径短，使平板型ＳＯＦＣ的输出功率密度比管式ＳＯＦＣ要高。??（２）缺点：密封困难，抗热循环性能差，难以组装成大功率电池组。由于ＳＯＦＣ??的参数区间随着工作温度的下降而扩大，例如当平板式ＳＯＦＣ的工作温度由１０００°Ｃ??降低至６００？８００°Ｃ后，可以有效地扩展燃料电池参数的调节范围，同时提高电池运??行的稳定性和可靠性，使燃料电池系统的制造成本和运行成本降低。??Ａｎｏｄｅ????Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ??（Ｂｉｐｏｌａｒ?Ｐｌａｔｅ）??Ｃａｔｈｏｄｅ??—?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??＾—ｇｆ？Ａｎｏｄｅ??Ｗ?Ｗ?Ｖ?Ｍｒ?ｌｉｒ?ｗｒ??图１．３板式固体氧化物燃料电池结构模型［１８］??５??
ｉｓｓｂａｒｔ和Ｒｕｋａ［ｉ９＾?１９６２年成功研发并对??其进行了实验探究。最初的实验模型采用了?８５％的氧化锆和１５％的氧化钙作为混??合电解质，电极材料选用铂金。模型实验成功的得到了在接近大气压的环境压力下，??工作温度在８００？１０００°Ｃ时的电流－电压性能曲线图。该型号管式ＳＯＦＣ也成为了西??门子西屋公司后续多种管式电池结构的基础和开端。管式ＳＯＦＣ电池组是由多个??管式单电池顺次连接而成，每个单电池的一端封闭，另一端通过设定好的串联或并??联结构连接。管式ＳＯＦＣ结构如图１．４所示。每个单电池由内到外依次是：多孔支??撑管、空气电极、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极。管式ＳＯＦＣ的主要特点如下??［２〇］：??１）优点：每个单电池间的连接体均设置在电池还原反应一侧，这样可以利用??金属材料作为电池中电流的收集体。金属材料造价低，成本校不仅如此，管式??ＳＯＦＣ的单电池均采用串联和并联的方式组合到一起，这样组合可以避免当电堆中??某一单电池出现故障时，影响电池组的输出性能或者导致整个电池组的失效。用镍??毡将管式ＳＯＦＣ单电池的连接体联结起来，可以有效地减小单电池间的应力作用。??管式电池组相比于其他类型电池更加简单，也更容易组装成大功率电池组。??２）缺点：相比于上述平板型Ｓ０ＦＣ，电池的电流路径更长，限制了?ＳＯＦＣ的??部分性能。??Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ??ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＶ?／?＇??、Ｆｕｅｌ?Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??图１．４管式固体氧化物燃料电池结构模型［１８］??根据上述分析得知，平板式ＳＯＦＣ的更高功率密度和更易批量化生产的结构??特性，使得其更容易满足市场的商业化需求，也因此
本文编号：2961815
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?１９８０年中国发电装机结构?图１．２?２０１０年中国发电装机结构??
％的能量转换效率。由于ＳＯＦＣ电堆是由多个单电池堆叠构成的，其发电??能力可以用电池数来调节，因此可以应用于不同的发电场合，满足不同的发电需求。??发电能力为５０ｋＷ左右的小型电站主要应用于气象通信领域；发电能力为２００？??５００ｋＷ的中型发电站，可用于热电联供；ＳＯＦＣ发电能力在丨ＯＯＯｋＷ以上的可结合??燃气轮机组成联合循环系统，并与火力电站的电网配合使用。??固体氧化物燃料电池通常依据结构来分类，主要分为平板型ＳＯＦＣ和管型??ＳＯＦＣ两种［１６＝１７１。平板型ＳＯＦＣ结构如图１．３所示。平板型ＳＯＦＣ的结构为Ａｉｒ／ＹＳＺ??固体电解质／燃料电极，三部分烧结成一体，组成平板“三合一”结构，其间用带有??导气沟槽的双极板连接，使电池互相串联形成电池组。平板型ＳＯＦＣ的主要特点??如下??（１）优点：“三合一”组件制备工艺简单，造价低。由于其管内电流收集均匀，??电流路径短，使平板型ＳＯＦＣ的输出功率密度比管式ＳＯＦＣ要高。??（２）缺点：密封困难，抗热循环性能差，难以组装成大功率电池组。由于ＳＯＦＣ??的参数区间随着工作温度的下降而扩大，例如当平板式ＳＯＦＣ的工作温度由１０００°Ｃ??降低至６００？８００°Ｃ后，可以有效地扩展燃料电池参数的调节范围，同时提高电池运??行的稳定性和可靠性，使燃料电池系统的制造成本和运行成本降低。??Ａｎｏｄｅ????Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ??（Ｂｉｐｏｌａｒ?Ｐｌａｔｅ）??Ｃａｔｈｏｄｅ??—?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??＾—ｇｆ？Ａｎｏｄｅ??Ｗ?Ｗ?Ｖ?Ｍｒ?ｌｉｒ?ｗｒ??图１．３板式固体氧化物燃料电池结构模型［１８］??５??
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