【摘 要】
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随着全球工业化的发展消耗了大量的自然资源,在化石能源日益枯竭、环境污染日益严重的情况下,高效、清洁的可再生能源转换方法对于可持续发展至关重要。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）系统以其高效、低排放等特点成为最有前景的发电设备之一。SOFC电堆由多个电池片串联组装而成,为保证其可靠性和稳定性,电池片数目不宜过多,单个SOFC电堆额定功率一般控制在1k W以内。
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随着全球工业化的发展消耗了大量的自然资源,在化石能源日益枯竭、环境污染日益严重的情况下,高效、清洁的可再生能源转换方法对于可持续发展至关重要。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）系统以其高效、低排放等特点成为最有前景的发电设备之一。SOFC电堆由多个电池片串联组装而成,为保证其可靠性和稳定性,电池片数目不宜过多,单个SOFC电堆额定功率一般控制在1k W以内。但在实际应用场景下,设备所需的功率高于千瓦级,因此,为了满足负载需求,需要将多个SOFC电堆模组串联或并联集成,形成多电堆SOFC发电系统。多电堆SOFC发电系统的性能主要取决于电堆模组的电、气路拓扑结构配置。探索电堆模组拓扑结构对热安全和电性能特性的影响规律,并在此基础上进一步获取热电协同优化的电堆模组拓扑结构,对大功率SOFC系统的开发与应用具有重要意义。为此在不失一般性的情况下,本文以四个电堆构成的四种SOFC多电堆系统为研究对象,进行系统化的热电综合分析与优化研究,具体研究工作如下:（1）基于物理守恒定律和化学动力学原理,在外重整SOFC系统基础上,建立了包含四个电堆的串、并联组合下的四种不同气路结构的多电堆SOFC系统模型,并展开系统热电特性验证。（2）使用遗传-粒子群优化算法（GA-PSO）,在系统热特性约束条件下,对不同气路结构系统的操作点进行优化,使其达到当前功率下效率最高的工作状态。并且对优化后的操作点的输出参数,从热安全和电特性两方面对各结构和不同结构之间进行了综合分析比较,揭示了多电堆SOFC系统性能随拓扑结构变化的规律。（3）通过逼近理想解排序（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS）评估方法,以系统效率,燃料利用率,电堆平均温度,电堆入口气体温差,温度梯度和燃烧室温度为指标进行评估分析,获得最优的气路拓扑结构。最后组成了最优的多堆系统拓扑结构,分析了最优拓扑结构系统热电性能特征。本文考虑了由四个电堆构成的四种基本气路拓扑结构优化并比较了不同的气路结构热电特性,并得出了最优的多电堆SOFC发电系统拓扑结构,为多电堆SOFC发电系统的集成与开发应用提供了理论依据与支持。所得结果表明,两串联后两并联的气路连接方式配合两路DC/DC转换器所组成的多电堆SOFC系统拓扑结构,系统净输出效率最大可以达到42.90%,并且能将最大温度梯度限制在6.04K/cm以内。
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