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

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。