固体氧化物燃料电池的余热和废料利用及系统性能优化的研究

The hybrid system including the solid oxide fuel cell (SOFC), Carnot cycle, and Brayton cycle is established, where the high-grade waste heat and residual fuel from the SOFC are utilized totally and transformed into the electricity. Based on thermodynamics and eletrochemistry, the electric power, flow rate of waste heat, and composition of residual fuel from the SOFC are calculated under a given mole flow rate of natural gas into the SOFC. The working substance of the Carnot cycle absorbs the waste heat from the fuel cells in a cooling-tube of the SOFC stack, the optimal efficiency of Carnot cycle is derived by considerring the finite-rate heat transfer and internal irreversible losses. The working substance of Brayton cycle absorbs the high-temperature heat from the combustion product of the residual fuel in a heat exchange tube, the optimal efficiency of the Brayton cycle is obtained by considerring the finite-rate heat transfer and irreversible compression and expansion processes. The maximum power or energy conversion efficiency of the hybrid system is derived by exploring the favorable working temperature of fuel cell, the mole flow rate of natural gas into the SOFC, and hydrogen utilization factor in the fuel cell.

建立基于天然气的固体氧化物燃料电池、卡诺循环和布雷顿循环组成的混合系统，在该系统中，燃料电池的高温余热和废料被充分回收并转化为实际生活所需的电能。基于热力学和电化学理论，计算在给定天然气摩尔流速的条件下，固体氧化物燃料电池的电功率、余热流和废料成分。卡诺循环的工质在电池堆的冷却管中等温地吸收热量，考虑循环工质与热源之间的有限时间传热及内不可逆损耗，得到卡诺循环的最优效率；布雷顿循环的工质在热交换管中吸收燃料电池的废料燃烧之后产生的高温热能，考虑循环工质与热源之间的有限时间传热及绝热膨胀和绝热压缩过程的不可逆性，计算布雷顿循环的最优效率。以得到混合系统最大的输出功率或者能量转换效率为目标，优化燃料电池的工作温度、天然气的摩尔流速和燃料电池对氢气的利用率等。

固体氧化物燃料电池工作时不停地释放大量高温余热同时有残余燃料离开燃料电池的阳极。这里建立包含燃料电池、卡诺循环和布雷顿循环的混合系统，目的是把高温余热和废料转化为有用功并输出。基于电化学和热力学知识，计算燃料电池的电功率、余热流和残余燃料的成分，卡诺循环的工质在燃料电池堆的冷却管中吸收其余热能，通过考虑循环和热源之间的有限速率传热和自身的内不可逆损耗，得到卡诺循环效率的表达式。布雷顿循环的工质吸收废料燃烧后产生的高温热能，通过考虑循环和热源之间的有限速率传热、工质经历的不可逆压缩和膨胀过程，得到循环效率的表达式。为了寻求燃料电池的最优性能或者混合系统的最大功率，项目探索了有利的燃料流速和氢气在燃料电池中的利用率。.由研究结果可知，把固体氧化物燃料电池和两种循环相结合，可大大提高燃料电池的输出功率，同时混合系统的能量转换效率比所有热机都来得高。对于这里建立的模型，可通过调整燃料电池对氢气的利用率，来达到混合系统的最大功率。如果燃料电池的工作温度为 750℃，当天然气的摩尔流速小于0.007mol s^(-1)m^(-2）时，为了燃料电池的正常工作，氢气应全部参加电化学反应；当天然气的摩尔流速在 0.007 和 0.016 mol s^(-1)m^(-2）之间，依然得让氢气全部参加电化学反应，虽然此时燃料电池的输出功率不是最优并且布雷顿循环不参加工作，但由于卡诺循环把燃料电池的余热转为有用功，所以混合系统的输出功率达到最大；而当天然气的摩尔流速大于 0.016 mol s^(-1)m^(-2）时，得通过调整氢气在燃料电池和布雷顿循环之间的剂量，来达到混合系统的最大功率。这里得到的结论可为固体氧化物燃料电池的建立和设计提供优化判据，为它的商业化进程提供理论基础。