燃料电池内燃机混合系统热力性能分析

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固体氧化物燃料电池作为一种能源转换装置,可以将燃料中化学能直接转化为电能,具有高效、清洁和环保等优点。由于燃料电池阳极尾气中仍然含有大量未被利用的燃料,结合内燃机可以有效利用其剩余的燃料,从而进一步提高系统电效率,同时内燃机瞬态响快,混合系统可以实现更好的变工况性能。因此燃料电池内燃机混合系统未来具有良好的应用前景。针对燃料电池单体和燃料电池内燃机混合系统,本文主要进行了以下几方面工作:首先,建立了燃料电池内燃机混合系统各部件的数学模型,模型包含固体氧化物燃料电池、重整器、内燃机、换热器、燃烧室、压气机、涡轮。其中,燃料电池模型可以分析电池内部的组分及温度分布,可为参数安全范围分析提供基础。随后对燃料电池和重整器模型进行了简单的分析。对比燃料电池单独系统、燃料电池燃气轮机系统、燃料电池内燃机系统,分析它们的设计点性能,随后对比不同重整方式及阳极循环对对燃料电池内燃机系统性能的影响。结果表明,燃料电池内燃机系统有良好的性能表现;在吸热量相同的情况下,总是采用蒸汽重整系统总效率最高,采用阳极回流可为重整器供水可实现跟高的系统效率。随后,通过优化确定系统的设计点,系统额定效率可达62.81%;探究混合系统各部件控制参数对系统性能的影响规律,发现燃料利用率和阳极回流率主要通过燃料电池整体燃料利用率来间接影响系统性能变化的,而在整体利用率相同的情况下,高阳极回流率会导致重整器吸热量急剧增加,但同时会降低燃料电池内温度梯度。燃料电池的空气过量系数主要起冷却的作用,它对燃料电池内部温度梯度有很好的抑制作用,但对系统效率有负作用。进行系统部分负载条件下运行性能分析,得到,系统在50%负载时,系统的效率仍可达到52.5%;最后计算系统各部件效率参数对系统效率的灵敏度,发现燃料电池阳极和电解质结构以及内燃机参数对系统性能影响较大。最后,建立了燃料电池内燃机混合系统的?分析模型,对系统进行了?分析,分析结果表明,系统有较高的?效率,达到63.8%,其中燃料电池承担了系统绝大多数的功率输出,但?损率大约只占五分之一,而空气换热器的?损率最高,内燃机的?损率同样占到了五分之一。
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