固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统的性能研究

固体氧化物料电池建筑电联供系统性能研究燃料电池发电技术是一种先进、清洁的发电技术其发电机理与传统发电方式不同,其发电效率不受卡诺循环效率的限制是一种高效的发电设备燃料电池作为建筑物热电联供系统的发电装置,是将高效的能源转换方式与高效的能源利用方式的综合,具有一定的研究价值,该领域的研究对提高能源利用率善环境质量等方面都具有重要的意义。本文首先从热力学角度对燃料电池发电技术进行分析与传统发电方式进行比较,并且将处于优势地位的两种燃料电池在建筑物中的应用进行对比分析针对固体氧化物燃料电池(在建筑物热电联供系统BCHP)中的应用这一课题,在以下几个方面进行研究:建立以天然气为燃料的直接内部重整固体氧化物燃料电池(DIR-SOFC)电堆模型,求解并验证模型的可用性该模型是一个可以被灵活运用到不同的电池尺寸和操作条件下的模拟模型。在此基础上模拟电堆的性能,分析其性能规律,确定电堆的合理操作区域。综合DIR-SOFC电堆模型与系统中配套的其他辅助设备模型,集成系统,通过对设计工况的模拟,实现SOFC系统的设计;通过对运行工况的模拟,分析系统的运行情况,形成一套适用于SOFC系统的设计思路和模拟方法。对SOFC系统的操作参数进行研究,分析预重整操作温度、预重整比率、蒸汽和碳的比率对系统性能的影响,并详细分析控制参数变化对系统性能的影响提出四种可行的调节控制方法,通过对四种调节控制方法的综合效率、操作区特性、热电调节范围等各项性能指标的分析得出:以电池的操作温度和燃料利用率为控制参数的调节方法和以电池的操作电压和操作温度为控制参数的调节方法更适合用于建筑热电联供系统中。

对SOFC系统进行优化设计,首先建立一个简化SOFC系统的经济模型,采用指数缩放法处理经济模型中规模与造价的问题然后从流程结构、设计参数和操作点三方面对系统进行优化设计:在流程结构的研究中分别对5种不同流程进行模拟,从系统的热、电效率、热电比、初投资和寿命周期费用等方面进行综合评价;在设计参数的研究中,采用多因素析因试验和多变量方差分析的方法,得出燃料利用率过量空气比率燃料和空气进入电堆的设计温度为系统的主要设计参数,并分析各个设计变量对系统的技术和经济性能的影响得到输出变量关于显著影响因素的回归模型,通过等值线图和响应曲面图描述多个非独立变量的变化情况;在系统操作点的研究中,以系统的主要设计变量为优化对象,以寿命周期费用最小为优化目标,采用有约束优化的方法对系统的操作点进行寻优,并逐一放松约束条件,研究不同电流密度条件下,约束条件对系统最佳操作点的影响趋势。对固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统SOFC-BCHP)的设计策略和运行策略进行优化研究,分别提出在高热、电比条件下和高电需求条件下相应的设计策略,特别是应燃料电池发电的特点提出差点设计法的原理进而提出目前可以适用的电负荷跟随加外电网补充的操作策略。设计SOFC-BCHP统并进行性能模拟,研SOFC内部参数变化对系统的影响。针对SOFC-BCHP系统的集成匹配问题,分别从设备容量、设备配置数量、运行操作策略三个层次上以运行费用最小为优化目标建立匹配问题的优化模型,采用序列二次规划法(SQP)寻优,其中,在对系统配置数量优化的研究中,提出用高频负荷工况的概念来确定设备数量的方法。最终,模拟实例建筑系统的逐时运行匹配模式,并计算系统逐时综合效率、节省费用和CO2减排量,更为详细的分析结果为系统的设计及优化提

供重要的理论参考。针对SOFC-BCHP系统的部分负荷优势,指出传统的技术评价指标不能体现系统的年运行工况行时间的不足提出动态评价的概念,将传统的静态技术评价指标改进为“动态第一定律效率”和“动态第二定律效率”两类指标,并在此基础上提出“年一次能耗因子”PrimaryEnergyGene)和“年二次能耗因子”(AnnualSecondEnergyGene)两个新的技术评价指标并通过实例分析证明了新评价指标的合理性,进而指出该系统在负荷需求持续、热电比需求接近1.6、冷电需求接近1的场合更具应用前景。随着燃料电池技