固體氧化物燃料電池作為一種能源轉(zhuǎn)換裝置,可以將燃料中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,具有高效、清潔和環(huán)保等優(yōu)點。由于燃料電池陽極尾氣中仍然含有大量未被利用的燃料,結(jié)合內(nèi)燃機(jī)可以有效利用其剩余的燃料,從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)電效率,同時內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)響快,混合系統(tǒng)可以實現(xiàn)更好的變工況性能。因此燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合系統(tǒng)未來具有良好的應(yīng)用前景。針對燃料電池單體和燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合系統(tǒng),本文主要進(jìn)行了以下幾方面工作:首先,建立了燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型,模型包含固體氧化物燃料電池、重整器、內(nèi)燃機(jī)、換熱器、燃燒室、壓氣機(jī)、渦輪。其中,燃料電池模型可以分析電池內(nèi)部的組分及溫度分布,可為參數(shù)安全范圍分析提供基礎(chǔ)。隨后對燃料電池和重整器模型進(jìn)行了簡單的分析。對比燃料電池單獨系統(tǒng)、燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、燃料電池內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng),分析它們的設(shè)計點性能,隨后對比不同重整方式及陽極循環(huán)對對燃料電池內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明,燃料電池內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)有良好的性能表現(xiàn);在吸熱量相同的情況下,總是采用蒸汽重整系統(tǒng)總效率最高,采用陽極回流可為重整器供水可實現(xiàn)跟高的系統(tǒng)效率。隨后,通過優(yōu)化確定系統(tǒng)的設(shè)計點,系統(tǒng)額定效率可達(dá)62.81%... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

全球能源需求趨勢預(yù)測

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-2-無法完全取代化石燃料的[2]。特別是在交通運輸領(lǐng)域，不僅要考慮效率和排放問題，還需要考慮重量、體積和功率等問題，雖然近年來電動汽車大量普及，但在航空、航海以及中型底面運輸工具仍將以燃油為主。各領(lǐng)域?qū)τ谀茉吹男枨笕鐖D1-2所示。圖1-2各領(lǐng)域?qū)τ谀茉吹男枨髲膱D中可以看出，未來能源仍以化石燃料為主體，提高化石燃料的利用效率仍是發(fā)展的重點。但傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置（如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪）的效率難以有大的提高[9]。這些裝置都是先將高品位的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能過程的效率受到卡諾循環(huán)的限制，要提高效率，就必須提高循環(huán)的壓力和溫度，但這又為材料的性能所限制。而在運輸領(lǐng)域，為了降低耗油率、增加航程，對于發(fā)動機(jī)效率提高的要求更加迫切。固體氧化物燃料電池（Solidoxidefuelcells,SOFC）因其高效率（40%~60%）低排放等特點成為目前最有前途的發(fā)電方式[10]。固體氧化物燃料電池已經(jīng)作為地面發(fā)電、無人機(jī)動力系統(tǒng)而被廣泛研究。為了進(jìn)一步提高固體氧化物燃料電池的效率，燃料電池混合循環(huán)的概念被提出并受到廣泛的關(guān)注。其原理是將燃料電池與額外的動力機(jī)械相結(jié)合，以利用燃料電池的高溫尾氣，從而提高效率，而其中最常見的動力機(jī)械就是燃?xì)鉁u輪[11]。固體氧化物燃料電池-燃?xì)鉁u輪（SOFC-GT）系統(tǒng)是一種可有效利用電池的尾氣的有效途徑。在系統(tǒng)中，常規(guī)布雷頓循環(huán)中的燃燒室部分被SOFC電堆所取代。SOFC既提供電能又提供高溫燃?xì)�。大量關(guān)于SOFC-GT混合系統(tǒng)的研究已經(jīng)發(fā)表，從取代布雷頓循環(huán)燃燒室的基本思想出發(fā)，衍生出了許多不同的布局。其中最常見的SOFC-GT布局是基于增壓SOFC堆與傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)的[12]。由于SOFC和GT的強(qiáng)耦

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-同時，在部分負(fù)載時，需要復(fù)雜的控制方案才可使系統(tǒng)效率維持在高水平[13]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)不斷提高，人們正在考慮可否將燃料電池與內(nèi)燃機(jī)結(jié)合[14]，其原理如圖1-3所示。圖1-3燃料電池內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)原理圖[14]固體氧化物燃料電池-內(nèi)燃機(jī)混合系統(tǒng)（SOFC-ICE）相較于SOFC-GT系統(tǒng)有許多優(yōu)點。（1）SOFC-ICE系統(tǒng)中，燃料電池與發(fā)動機(jī)的耦合相對較弱，便于系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)；（2）與SOFC匹配的渦輪多為幾百千瓦至及兆瓦的小型渦輪，在這個功率量級內(nèi)燃機(jī)的效率優(yōu)于燃?xì)鉁u輪。（3）內(nèi)燃機(jī)的非設(shè)計點性能優(yōu)于燃?xì)鉁u輪，啟動和響應(yīng)速度也快于渦輪[15]。（4）相較于燃?xì)鉁u輪，內(nèi)燃機(jī)的運行成本和制造難度更低，結(jié)構(gòu)簡單可靠，降低了系統(tǒng)的成本和維護(hù)難度。所有這些優(yōu)點使SOFC-ICE系統(tǒng)成為極有潛力的能量轉(zhuǎn)換方式，有望應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域，艦船動力，和小型無人機(jī)動力領(lǐng)域。不過，將內(nèi)燃機(jī)與燃料電池結(jié)合也存在一些問題，內(nèi)燃機(jī)入口的燃料濃度較低，導(dǎo)致燃料不完全燃燒，嚴(yán)重影響內(nèi)燃機(jī)的效率；同時，在SOFC-ICE混合系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)使用的燃料為氫氣和一氧化碳，而不是傳統(tǒng)的汽柴油，燃料入口的溫度和壓力也與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同，這些都會使內(nèi)燃機(jī)工作性能發(fā)生改變，在這情況下內(nèi)燃機(jī)的工作性能，仍需要進(jìn)一步的研究。燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合系統(tǒng)中，各主要部件的工作溫度相差較大，為了讓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)部件必須要滿足一定的性能條件。例如，換熱器性能必須要達(dá)到一定的指標(biāo)，才能使燃料電池尾氣溫度降到內(nèi)燃機(jī)入口可接受的范圍；重整器的水碳比和氧碳比的選擇，必須使重整所需水的預(yù)熱能量，能夠有系統(tǒng)的尾氣回?zé)嵬耆С�，而不需要額外的能量；燃料電池各控制參數(shù)必須合理選擇，才能使內(nèi)燃機(jī)高?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]具有碳捕集的SOFC/GT和壓縮空氣儲能混合發(fā)電系統(tǒng)特性研究[D]. 劉曉.山東大學(xué) 2018
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本文編號：3227836