甲烷不完全氧化SOFC熱電氣聯(lián)產(chǎn)的模擬

【摘要】：燃料電池技術(shù)是人類擺脫對化石能源依賴的主要渠道之一,有著廣闊的研究空問和應(yīng)用領(lǐng)域。其中以SOFC(高溫固體氧化燃料電池)的應(yīng)用效率較高,卻基于在該領(lǐng)域研究和應(yīng)用最晚,研究條件最為苛刻,研究效果不理想。 現(xiàn)階段,對SOFC的研究更多的是集中在電池材料方面,但對SOFC的模擬化研究也不少。對于電池堆系統(tǒng)的整體性模擬主要集中在熱電聯(lián)產(chǎn)方面,而進行熱、電、氣聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的還鮮有報道,因此本文進行的模擬以甲烷為燃料的SOFC電池堆系統(tǒng)熱、電、氣聯(lián)產(chǎn)即具有重要學(xué)術(shù)價值,又對實際應(yīng)用有很高的啟示。本文通過Aspen plus流程模擬方法,設(shè)計和模擬了甲烷SOFC熱、電、氣聯(lián)產(chǎn)的整體流程,研究甲烷SOFC電池堆整體系統(tǒng)的影響因素和變化規(guī)律,旨在探索尋找SOFC新的應(yīng)用渠道和應(yīng)用模式,開闊對SOFC的應(yīng)用思路。 論文主要內(nèi)容和結(jié)論如下： (1)根據(jù)化工熱力學(xué)和動力學(xué)得出SOFC的定量計算,得出貼近實際的燃料電池本體模擬至少需要4個參數(shù)：兩個參數(shù)(a和j0)用于描述反應(yīng)動力學(xué)損耗,一個參數(shù)(ASRohm)用于描述歐姆損耗,還有一個參數(shù)(jL)用于描述濃差損耗,通過改變這幾個參數(shù)的情況就能研究SOFC眾多方面的不同行為。 (2)在兩個熱電氣聯(lián)產(chǎn)過程中,尾氣中都含有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和甲烷。在加燃燒室的熱電氣聯(lián)產(chǎn)流程中,采用燃燒尾氣,做功發(fā)電處理；在純換熱熱電氣聯(lián)產(chǎn)流程中采用尾氣多次換熱分離,剩余甲烷重新進入陰極反應(yīng)的處理方法。 (3)由本體中模擬可知,輸出功率和效率均隨燃料利用率的增大而先增大后減小,均在燃料利用率為92%左右時達(dá)到最大值,兩者有同步規(guī)律性；而電池的電壓卻隨著燃料利用率的提高而降低,主要原因是系統(tǒng)內(nèi)的濃差極化和歐姆極化增大造成的。 (4)比較兩個熱電氣聯(lián)產(chǎn)流程可知,純換熱設(shè)計的熱電氣聯(lián)產(chǎn)要略優(yōu)于帶燃燒室的熱電氣聯(lián)產(chǎn)流程,主要原因是尾氣中甲烷的處理方式不同造成的,另外部分則是因為系統(tǒng)設(shè)計差異帶來的誤差及損失。 (5)本文的創(chuàng)新點在純換熱熱電氣聯(lián)產(chǎn)模型,在尾氣中分離得到氫氣和一氧化碳,除去水蒸氣和二氧化碳,將甲烷重新利用過程。模擬中得出結(jié)論：在純換熱熱電聯(lián)產(chǎn)效率保持在53%左右,而且在能夠保證甲烷不完全氧化反應(yīng)的情況下,熱電聯(lián)產(chǎn)效率會隨著CH4：空氣的體積比的增大而提高到60%左右。因此設(shè)計一個以氣體分離為目的SOFC系統(tǒng)是合理可行的,也是高效有用的 【關(guān)鍵詞】：數(shù)值模擬 SOFC 甲烷 不完全氧化 熱電氣聯(lián)產(chǎn)
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-11
• 1 緒論11-38
• 1.1 論文相關(guān)領(lǐng)域的研究進展11-36
• 1.1.1 燃料電池及SOFC研究進展11-30
• 1.1.2 氣體分離技術(shù)的發(fā)展30-31
• 1.1.3 幾種經(jīng)典的SOFC模擬流程及優(yōu)缺點31-36
• 1.2 本論文研究內(nèi)容及意義36-38
• 1.2.1 研究內(nèi)容36-37
• 1.2.2 研究意義37-38
• 2 電化學(xué)及燃料電池基本理論和定量計算38-55
• 2.1 電化學(xué)的基本理論38-42
• 2.1.1 燃料電池的工作過程及原理38-40
• 2.1.2 甲烷SOFC系統(tǒng)40-42
• 2.2 SOFC定量計算42-50
• 2.2.1 完全氧化反應(yīng)的熱力學(xué)計算42-45
• 2.2.2 不完全氧化反應(yīng)的熱力學(xué)計算45-49
• 2.2.3 熱力學(xué)計算結(jié)果分析49-50
• 2.3 實際燃料電池效率50-53
• 2.3.1 電壓損耗51-53
• 2.3.2 燃料利用損耗53
• 2.4 本章小結(jié)53-55
• 3 換熱器計算和氣體分離技術(shù)55-67
• 3.1 換熱器理論及定量計算55-58
• 3.1.1 換熱器理論55
• 3.1.2 換熱器定量計算55-56
• 3.1.3 換熱器的優(yōu)化方法56-58
• 3.2 氣體分離技術(shù)58-66
• 3.2.1 除CO_2氣體58-59
• 3.2.2 H_2回收59-63
• 3.2.3 除水蒸氣63
• 3.2.4 一氧化碳分離63-66
• 3.3 本章小結(jié)66-67
• 4 Aspen plus流程模擬67-86
• 4.1 模擬基本假設(shè)和基本原則67-68
• 4.1.1 模擬基本假設(shè)67
• 4.1.2 本論文模擬基本原則67-68
• 4.2 SOFC本體模擬68-75
• 4.2.1 SOFC本體模型構(gòu)建過程68-71
• 4.2.2 影響SOFC電池效率的因素71-75
• 4.3 帶燃燒的熱電氣聯(lián)產(chǎn)模擬75-79
• 4.3.1 流程簡圖75
• 4.3.2 確定模擬參數(shù)75-77
• 4.3.3 分析模擬結(jié)果77-79
• 4.4 純換熱設(shè)計的熱電氣聯(lián)產(chǎn)模擬79-84
• 4.4.1 流程圖79
• 4.4.2 確定模擬參數(shù)79-80
• 4.4.3 分析模擬結(jié)果80-84
• 4.5 本章小結(jié)84-86
• 5 結(jié)論和展望86-88
• 5.1 本文主要結(jié)論86-87
• 5.2 展望87-88
• 參考文獻88-93
• 附錄A 符號說明93-95
• 致謝95-96

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