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固体氧化物燃料电池与燃气轮机新型混合系统仿真研究

作　者: 张文书
导　师: 张会生
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 燃料电池燃气轮机仿真 EASY5 控制策略混合装置
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 61次
引　用: 1次
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内容摘要

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。由于燃料电池工作温度很高,结合燃气轮机可以有效利用其产生的高品位废热,从而进一步提高系统电效率。因此燃料电池及燃料电池燃气轮机混合装置未来具有良好的应用前景,是目前各国的研究热点。针对燃料电池单体和燃料电池燃气轮机混合装置,本文主要进行了以下几方面工作:首先,通过全面分析燃料电池内部流动、传热、传质和电化学等物理现象,在几何上将其分为阳极、阴极、PEN板和连接体四层,然后在各层建立守恒方程,再将守恒方程离散,最后在EASY5 仿真平台上进行模型实现。通过对交叉流和逆流燃料电池的性能进行比较研究,结果显示逆流燃料电池的平均温度和效率均高于交叉流。其次,在EASY5仿真平台中建立固体氧化物燃料电池燃气轮机仿真模块库,包括一维SOFC模块、换热器模块、换热重整器模块、燃烧室模块、分离器和混合器模块、风机模块、容积模块;此外燃气轮机子系统又分为压气机模块、涡轮模块和转子模块。最后,本文针对中小型分布式发电系统,设计了固体氧化物燃料电池燃气轮机混合装置系统。该系统特点是采用阳极循环和阴极循环进行燃料流和空气流预热,而不是传统的换热器预热方式,可以节省投资和空间。基于已经建立的混合系统仿真模块库,在EASY5仿真平台上建立该混合装置系统的仿真模型。经过仿真分析,系统在设计点工况下效率达到67.6%,在50%工况下效率仍然有52%。最后初步设计了该混合装置的控制策略,并进行了相关仿真分析,结果显示,该控制策略可以改善系统的动态性能,证明了其有效性。本文的研究工作为燃料电池及燃料电池燃气轮机混合装置的设计和运行提供了重要参考,也为进一步的系统优化分析和实验研究打下了坚实的基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
表格索引  10-11
插图索引  11-13
主要符号对照表  13-14
第一章绪论  14-23
  1.1 选题背景  14-16
  1.2 研究发展历程和现状  16-22
    1.2.1 固体氧化物燃料电池SOFC的研究历史及现状  16-18
    1.2.2 SOFC数学模型研究历史及现状  18-19
    1.2.3 SOFC-GT混合装置研究历史及现状  19-20
    1.2.4 SOFC-GT混合装置仿真研究历史及现状  20-22
  1.3 本文主要工作  22-23
第二章固体氧化物燃料电池二维仿真模型  23-51
  2.1 引言  23
  2.2 SOFC结构及工作原理  23-25
    2.2.1 SOFC工作原理  23-24
    2.2.2 SOFC结构  24-25
  2.3 SOFC二维模型  25-37
    2.3.1 组分守恒方程  26-29
    2.3.2 能量守恒方程  29-32
    2.3.3 动量守恒方程  32
    2.3.4 电化学模型  32-34
    2.3.5 热力学物性模型  34-37
  2.4 SOFC二维模型计算方法  37-40
    2.4.1 初始与边界条件  37-38
    2.4.2 计算方法与流程  38-39
    2.4.3 仿真环境  39-40
  2.5 仿真结果及分析  40-50
    2.5.1 交叉流SOFC仿真研究  40-45
    2.5.2 逆流SOFC仿真研究  45-46
    2.5.3 交叉流与逆流SOFC主要性能比较  46-50
  2.6 本章小结  50-51
第三章 SOFC-GT混合装置仿真模块库的建立  51-67
  3.1 引言  51-52
  3.2 SOFC-GT混合装置仿真模块库  52-63
    3.2.1 SOFC模块  52-54
    3.2.2 换热器模块  54-57
    3.2.3 换热重整器模块  57-58
    3.2.4 燃烧室模块  58-60
    3.2.5 容积模块  60
    3.2.6 混合器和分离器模块  60-61
    3.2.7 压气机模块  61-62
    3.2.8 涡轮模块  62
    3.2.9 转子模块  62-63
    3.2.10 风机模块  63
  3.3 压气机与涡轮特性图  63-66
    3.3.1 压气机特性图  63-65
    3.3.2 涡轮特性图  65-66
  3.4 本章小结  66-67
第四章 SOFC-GT混合装置性能仿真研究  67-91
  4.1 引言  67
  4.2 SOFC-GT混合装置结构及描述  67-68
  4.3 SOFC-GT混合装置性能分析  68-81
    4.3.1 额定工况点  68-69
    4.3.2 部分工况分析  69-75
    4.3.3 动态性能分析  75-81
  4.4 SOFC-GT混合装置控制策略设计及性能分析  81-90
    4.4.1 控制原理及PID模型  81-83
    4.4.2 系统控制策略设计  83-84
    4.4.3 控制系统动态性能仿真分析  84-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章结论与展望  91-93
  5.1 结论  91
  5.2 展望  91-93
参考文献  93-97
致谢  97-98
攻读学位期间已发表或录用的论文  98

固体氧化物燃料电池与燃气轮机新型混合系统仿真研究

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