中温固体氧化物燃料电池联合系统分析及实验研究

摘要

目前，能源和环境问题日益严峻，如何实现能源的高效率、低排放应用已成为世界各国普遍关注的重大课题，固体氧化物燃料电池(SOFC)正是符合要求的高效洁净能量转化装置。作为一种电化学发电装置，SOFC拥有高效、低噪音、低排放、原料选择灵活等优点。目前，该领域的研究趋势是SOFC工作温度中低温化，以实现在保持高温燃料电池优点的同时，克服传统SOFC过高温度运行带来的问题。SOFC和燃气轮机(GT)联产系统更加充分的利用了燃料电池尾气中的余热和化学能，效率更高，被认为是解决能源和环境问题的一种有效应对方法。 本文以中温固体氧化物燃料电池为研究对象，进行了理论分析和实验工作的初步研究。文章首先对燃料电池的原理和发展进行了介绍，之后详细介绍了SOFC的原理和国内外研究现状，建立了一个中温SOFC的电化学模型。在电池模型基础上，设计了一种SOFC/GT联供系统，分析了系统的构成和工作原理，建立了系统的稳态模型，对系统进行了能量平衡分析和火用分析，探索了电流密度、工作压力、燃料电池出入口温差等重要参数对系统性能的影响情况。文章最后介绍了用于中温SOFC制备和测试的实验系统，并进行了初步的实验工作。 研究显示，SOFC/GT联供系统是一种高效的能源利用系统，其电效率，能量利用效率和火用效率分别为60.06％，78.14％和71.68％，系统中空气压缩机是耗功最多的装置，而燃料电池堆和燃烧室是不可逆损失最大的装置。研究分析了运行参数变化对系统性能的影响，研究结果将为燃料电池联供系统的设计和应用提供帮助。同时，实验结果显示，中低温SOFC可以在较低操作温度下拥有很好的性能。

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2燃料电池简介

1.2.1燃料电池的工作原理和特点

1.2.2燃料电池的发展历史

1.2.3燃料电池的分类

1.3本文主要研究内容

第二章固体氧化物燃料电池

2.1固体氧化物燃料电池(SOFC)简介

2.1.1 SOFC的结构和工作原理

2.1.2 SOFC的特点和类型

2.2 SOFC燃料电池研究现状

2.2.1 SOFC的建模分析

2.2.2 SOFC联合系统的研究

2.3中低温固体氧化物燃料电池(ILTSOFC)

2.4固体氧化物燃料电池理论基础

2.4.1可逆电位和能斯特方程

2.4.2燃料电池的动力学

2.5中温固体氧化物燃料电池本体计算

2.5.1必要假设参数设定

2.5.2结果及分析

2.6本章小结

第三章中温固体氧化物燃料电池联合发电系统

3.1概述

3.2 SOFC联合循环系统模型

3.2.1系统描述

3.2.2假设

3.2.3燃料电池模型

3.2.4系统其它部件模型

3.2.5火用及火用平衡分析

3.2.6系统效率的计算

3.3计算结果与分析

3.3.1参数的选择

3.3.2系统分析结果

3.3.3系统参数对系统性能的影响

3.3.4系统结构的变化

3.4本章小结

第四章中温固体氧化物燃料电池制备测试初步研究

4.1概述

4.2 SOFC制备测试实验

4.2.1实验设备及化学药品

4.2.2 SOFC单电池的制备

4.2.3 SOFC单电池的测试

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果