摘 要

本文以研究固体氧化物燃料电池—微型燃气轮机联合循环系统的热力性能为主要目的，结合热力学第一定律和热力学第二定律，根据物质平衡和能量守恒定律，基于模块化思想，建立了固体氧化物燃料电池—微型燃气轮机联合循环系统在两种典型的循环（顶层循环和底层循环）下的数学模型，并完成了该联合循环系统在这两种循环下的相关热力计算工作，对联合循环系统的运行特性进行了研究与分析，对顶层循环和底层循环下的固体氧化物燃料电池—微型燃气轮机联合循环系统的热力分析进行了对比，为固体氧化物燃料电池—微型燃气轮机联合循环系统在顶层循环或者是底层循环下的设计计算和优化分析提供了一些参考依据。

关键词：固体氧化物燃料电池；微型燃气轮机；联合循环装置；顶层循环；底层循环；热力分析

Abstract

In this paper, the thermal performance of the solid oxide fuel cell-micro-gas turbine combined cycle system is studied. Based on the first law of thermodynamics and the second law of thermodynamics and combined with the material balance and energy conservation law，the solid oxide fuel cell-micro-gas turbine combined cycle system in two typical cycles (top-level cycle and bottom-level cycle) is built under the mathematical model, the relevant thermal calculation work for the system in these two cycles is completed.The operating characteristics of the combined cycle system are studied and analyzed.The thermal analysis of the combined cycle system under the top-level circulation and the bottom-level circulation is compared. These efforts provide some reference for the design calculation and optimization analysis of the solid oxide fuel cell - micro gas turbine combined cycle system in the top-level circulation or under the bottom-level circulation.

Key Words：solid oxide fuel cell;micro-gas turbine;hybrid system;top-level circulation;bottom-level circulation;thermodynamic analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

第2章 SOFC-MGT混合装置的数学模型 3

2.1 SOFC-MGT混合装置顶层循环系统 3

2.2 SOFC的电化学模型 4

2.2.1 SOFC的发电原理 4

2.2.2 燃料电池的电化学反应原理 4

2.2.3 SOFC物质平衡的数学模型 6

2.2.4 SOFC电势分析 9

2.2.5 SOFC能量平衡的数学模型 10

2.3 微型燃气轮机模型 12

2.3.1 换热器模型 12

2.3.2 压气机模型 13

2.3.3 透平模型 15

第3章 SOFC-MGT混合装置在两种循环下的热力分析 16

3.1 顶层循环的热力分析 16

3.1.1 SOFC-MGT混合装置的参数设计 16

3.1.2 SOFC-MGT混合装置的额定工况下的性能分析 18

3.2 底层循环的热力分析 20

3.2.1 SOFC-MGT混合装置底层循环系统 20

3.2.2 SOFC-MGT混合装置底层循环的参数设计 21

3.2.3 SOFC-MGT混合装置底层循环额定工况下的性能分析 22

第4章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一类在高温状态下将燃料含有的化学能直接转化为电能的发电装置。其工作温度一般位于600℃到1000℃之间，排气温度一般也高于600℃。正是因为没有受到“卡诺循环”的限制，它的能量转换效率比一般的普通热机会高得多，能够高到60%到80%之间。可是在实际的应用过程中，它的效率潜能并没有很充分地发挥出来。SOFC发电系统的能量损失主要是因为它没有能够充分地利用系统的排气，原因可以从两个方面来分析：一是从燃料电池工作特点出发，不能够特别充分地氧化燃料,即燃料所包含的能量不能彻底被转换，这导致在系统最后排出来的气体中仍然还是会含有部分的氢气和一氧化碳，而如果这些氢气和一氧化碳也跟着排气一起直接排放到环境里去，这必然是会导致能量巨大的浪费；另一方面来说，因为SOFC的排气温度还很高，这里面还包含有很大的余热能量，如果这些余热能量也随着排出的气体排到系统之外，这也会造成不小的能量损失。所以针对SOFC实际的工作情况，为了提高系统的能量转换效率，最好的方式是将这些高品位的废热更充分地利用起来使SOFC和一些其他的装置组成混合循环系统，进而可以极大地提高燃料的利用效率。在不同的混合循环系统中，和微型燃气轮机（Micro Gas Turbine，简称MGT）组成固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机混合装置（SOFC-MGT）是一个特别好的选择。一方面，利用微型燃气轮机来发电的经济成本比较低而且它的污染排放量也极少，可是它的效率由于受到“卡诺循环”的影响而相对较低;另一方面,固体氧化物燃料电池的发电效率较高、排放很低，可是固体氧化物燃料电池的成本却十分昂贵。倘若能够让固体氧化物燃料电池和微型燃气轮机相结合起来组成联合循环装置，该联合循环装置将具有很高的热效率、环境友好、发电成本也较低的优点。这种混合装置用于未来的分布式发电领域的前景将非常广阔。

这种SOFC-MGT联合循环装置首次开发成功是在美国的Westinghouse科技中心和北方研究公司（NRE）的合作下完成的。他们的合作团队在1995年开发出了220kW的SOFC-MGT联合循环装置^[1]。后来，Macchi和Campanari完成了对2500kW的熔融碳酸盐燃料电池-微型燃气轮机联合循环装置的仿真试验工作^[2]。日本目前在对熔融碳酸盐燃料电池-微型燃气轮机联合循环装置的研究也走在了世界的前列，350kW的熔融碳酸盐燃料电池-燃气轮机联合循环装置在日本也已经被成功的研制出来^[3]。

在21世纪以来，很多大大小小的中高温固体燃料电池电站都成功发电，同时，微型燃气轮机也在不断发展，这都为高温固体燃料电池-微型燃气轮机联合循环装置创造了基本的条件，也推动着这种固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机联合循环装置的研究迅速发展^[4,5]。