固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）以其燃料適應(yīng)性強、高效、易維護、綠色環(huán)保等特點,已成為21世紀最具有發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。對于緩解世界能源危機和改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義,也是當(dāng)前綠色能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點之一。根據(jù)SOFC工作溫度高的特點,將其與燃氣輪機組合形成的SOFC/GT聯(lián)合系統(tǒng)是當(dāng)前主流的SOFC發(fā)電方式。由于SOFC/GT系統(tǒng)排氣溫度較高,通常匹配一個或多個余熱回收利用系統(tǒng)來實現(xiàn)能量的梯級利用,進一步提高聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源利用率。二氧化碳作為最常見的氣體之一,不僅無毒無害,而且具有良好的做功能力和較大的做功范圍�？缗R界二氧化碳循環(huán)（Transcritical carbon dioxide cycle,TRCC）是制冷領(lǐng)域較為成熟的熱力循環(huán)之一,且在核電、熱泵等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景。本文將SOFC/GT系統(tǒng)與跨臨界二氧化碳循環(huán)相結(jié)合,研究TRCC與SOFC/GT系統(tǒng)匹配機理,分析重要參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,建立SOFC/GT/TRCC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和熱力學(xué)模型。為了驗證系統(tǒng)模型的正確性,將模擬數(shù)據(jù)與... 

【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

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圖１．１?１９８０年中國發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)?圖１．２?２０１０年中國發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)??

％的能量轉(zhuǎn)換效率。由于ＳＯＦＣ電堆是由多個單電池堆疊構(gòu)成的，其發(fā)電??能力可以用電池數(shù)來調(diào)節(jié)，因此可以應(yīng)用于不同的發(fā)電場合，滿足不同的發(fā)電需求。??發(fā)電能力為５０ｋＷ左右的小型電站主要應(yīng)用于氣象通信領(lǐng)域；發(fā)電能力為２００？??５００ｋＷ的中型發(fā)電站，可用于熱電聯(lián)供；ＳＯＦＣ發(fā)電能力在丨ＯＯＯｋＷ以上的可結(jié)合??燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，并與火力電站的電網(wǎng)配合使用。??固體氧化物燃料電池通常依據(jù)結(jié)構(gòu)來分類，主要分為平板型ＳＯＦＣ和管型??ＳＯＦＣ兩種［１６＝１７１。平板型ＳＯＦＣ結(jié)構(gòu)如圖１．３所示。平板型ＳＯＦＣ的結(jié)構(gòu)為Ａｉｒ／ＹＳＺ??固體電解質(zhì)／燃料電極，三部分燒結(jié)成一體，組成平板“三合一”結(jié)構(gòu)，其間用帶有??導(dǎo)氣溝槽的雙極板連接，使電池互相串聯(lián)形成電池組。平板型ＳＯＦＣ的主要特點??如下??（１）優(yōu)點：“三合一”組件制備工藝簡單，造價低。由于其管內(nèi)電流收集均勻，??電流路徑短，使平板型ＳＯＦＣ的輸出功率密度比管式ＳＯＦＣ要高。??（２）缺點：密封困難，抗熱循環(huán)性能差，難以組裝成大功率電池組。由于ＳＯＦＣ??的參數(shù)區(qū)間隨著工作溫度的下降而擴大，例如當(dāng)平板式ＳＯＦＣ的工作溫度由１０００°Ｃ??降低至６００？８００°Ｃ后，可以有效地擴展燃料電池參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，同時提高電池運??行的穩(wěn)定性和可靠性，使燃料電池系統(tǒng)的制造成本和運行成本降低。??Ａｎｏｄｅ????Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ??（Ｂｉｐｏｌａｒ?Ｐｌａｔｅ）??Ｃａｔｈｏｄｅ??—?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??＾—ｇｆ？Ａｎｏｄｅ??Ｗ?Ｗ?Ｖ?Ｍｒ?ｌｉｒ?ｗｒ??圖１．３板式固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)模型［１８］??５??

ｉｓｓｂａｒｔ和Ｒｕｋａ［ｉ９＾?１９６２年成功研發(fā)并對??其進行了實驗探究。最初的實驗?zāi)Ｐ筒捎昧?８５％的氧化鋯和１５％的氧化鈣作為混??合電解質(zhì)，電極材料選用鉑金。模型實驗成功的得到了在接近大氣壓的環(huán)境壓力下，??工作溫度在８００？１０００°Ｃ時的電流－電壓性能曲線圖。該型號管式ＳＯＦＣ也成為了西??門子西屋公司后續(xù)多種管式電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和開端。管式ＳＯＦＣ電池組是由多個??管式單電池順次連接而成，每個單電池的一端封閉，另一端通過設(shè)定好的串聯(lián)或并??聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。管式ＳＯＦＣ結(jié)構(gòu)如圖１．４所示。每個單電池由內(nèi)到外依次是：多孔支??撐管、空氣電極、固體電解質(zhì)薄膜和金屬陶瓷陽極。管式ＳＯＦＣ的主要特點如下??［２〇］：??１）優(yōu)點：每個單電池間的連接體均設(shè)置在電池還原反應(yīng)一側(cè)，這樣可以利用??金屬材料作為電池中電流的收集體。金屬材料造價低，成本校不僅如此，管式??ＳＯＦＣ的單電池均采用串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合到一起，這樣組合可以避免當(dāng)電堆中??某一單電池出現(xiàn)故障時，影響電池組的輸出性能或者導(dǎo)致整個電池組的失效。用鎳??氈將管式ＳＯＦＣ單電池的連接體聯(lián)結(jié)起來，可以有效地減小單電池間的應(yīng)力作用。??管式電池組相比于其他類型電池更加簡單，也更容易組裝成大功率電池組。??２）缺點：相比于上述平板型Ｓ０ＦＣ，電池的電流路徑更長，限制了?ＳＯＦＣ的??部分性能。??Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ??ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＶ?／?＇??、Ｆｕｅｌ?Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??圖１．４管式固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)模型［１８］??根據(jù)上述分析得知，平板式ＳＯＦＣ的更高功率密度和更易批量化生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)??特性，使得其更容易滿足市場的商業(yè)化需求，也因此


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