甲烷不完全氧化SOFC热电气联产的模拟

【摘要】：燃料电池技术是人类摆脱对化石能源依赖的主要渠道之一,有着广阔的研究空问和应用领域。其中以SOFC(高温固体氧化燃料电池)的应用效率较高,却基于在该领域研究和应用最晚,研究条件最为苛刻,研究效果不理想。 现阶段,对SOFC的研究更多的是集中在电池材料方面,但对SOFC的模拟化研究也不少。对于电池堆系统的整体性模拟主要集中在热电联产方面,而进行热、电、气联产应用的还鲜有报道,因此本文进行的模拟以甲烷为燃料的SOFC电池堆系统热、电、气联产即具有重要学术价值,又对实际应用有很高的启示。本文通过Aspen plus流程模拟方法,设计和模拟了甲烷SOFC热、电、气联产的整体流程,研究甲烷SOFC电池堆整体系统的影响因素和变化规律,旨在探索寻找SOFC新的应用渠道和应用模式,开阔对SOFC的应用思路。 论文主要内容和结论如下： (1)根据化工热力学和动力学得出SOFC的定量计算,得出贴近实际的燃料电池本体模拟至少需要4个参数：两个参数(a和j0)用于描述反应动力学损耗,一个参数(ASRohm)用于描述欧姆损耗,还有一个参数(jL)用于描述浓差损耗,通过改变这几个参数的情况就能研究SOFC众多方面的不同行为。 (2)在两个热电气联产过程中,尾气中都含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和甲烷。在加燃烧室的热电气联产流程中,采用燃烧尾气,做功发电处理；在纯换热热电气联产流程中采用尾气多次换热分离,剩余甲烷重新进入阴极反应的处理方法。 (3)由本体中模拟可知,输出功率和效率均随燃料利用率的增大而先增大后减小,均在燃料利用率为92%左右时达到最大值,两者有同步规律性；而电池的电压却随着燃料利用率的提高而降低,主要原因是系统内的浓差极化和欧姆极化增大造成的。 (4)比较两个热电气联产流程可知,纯换热设计的热电气联产要略优于带燃烧室的热电气联产流程,主要原因是尾气中甲烷的处理方式不同造成的,另外部分则是因为系统设计差异带来的误差及损失。 (5)本文的创新点在纯换热热电气联产模型,在尾气中分离得到氢气和一氧化碳,除去水蒸气和二氧化碳,将甲烷重新利用过程。模拟中得出结论：在纯换热热电联产效率保持在53%左右,而且在能够保证甲烷不完全氧化反应的情况下,热电联产效率会随着CH4：空气的体积比的增大而提高到60%左右。因此设计一个以气体分离为目的SOFC系统是合理可行的,也是高效有用的 【关键词】：数值模拟 SOFC 甲烷 不完全氧化 热电气联产
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-11
• 1 绪论11-38
• 1.1 论文相关领域的研究进展11-36
• 1.1.1 燃料电池及SOFC研究进展11-30
• 1.1.2 气体分离技术的发展30-31
• 1.1.3 几种经典的SOFC模拟流程及优缺点31-36
• 1.2 本论文研究内容及意义36-38
• 1.2.1 研究内容36-37
• 1.2.2 研究意义37-38
• 2 电化学及燃料电池基本理论和定量计算38-55
• 2.1 电化学的基本理论38-42
• 2.1.1 燃料电池的工作过程及原理38-40
• 2.1.2 甲烷SOFC系统40-42
• 2.2 SOFC定量计算42-50
• 2.2.1 完全氧化反应的热力学计算42-45
• 2.2.2 不完全氧化反应的热力学计算45-49
• 2.2.3 热力学计算结果分析49-50
• 2.3 实际燃料电池效率50-53
• 2.3.1 电压损耗51-53
• 2.3.2 燃料利用损耗53
• 2.4 本章小结53-55
• 3 换热器计算和气体分离技术55-67
• 3.1 换热器理论及定量计算55-58
• 3.1.1 换热器理论55
• 3.1.2 换热器定量计算55-56
• 3.1.3 换热器的优化方法56-58
• 3.2 气体分离技术58-66
• 3.2.1 除CO_2气体58-59
• 3.2.2 H_2回收59-63
• 3.2.3 除水蒸气63
• 3.2.4 一氧化碳分离63-66
• 3.3 本章小结66-67
• 4 Aspen plus流程模拟67-86
• 4.1 模拟基本假设和基本原则67-68
• 4.1.1 模拟基本假设67
• 4.1.2 本论文模拟基本原则67-68
• 4.2 SOFC本体模拟68-75
• 4.2.1 SOFC本体模型构建过程68-71
• 4.2.2 影响SOFC电池效率的因素71-75
• 4.3 带燃烧的热电气联产模拟75-79
• 4.3.1 流程简图75
• 4.3.2 确定模拟参数75-77
• 4.3.3 分析模拟结果77-79
• 4.4 纯换热设计的热电气联产模拟79-84
• 4.4.1 流程图79
• 4.4.2 确定模拟参数79-80
• 4.4.3 分析模拟结果80-84
• 4.5 本章小结84-86
• 5 结论和展望86-88
• 5.1 本文主要结论86-87
• 5.2 展望87-88
• 参考文献88-93
• 附录A 符号说明93-95
• 致谢95-96

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