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研究生: 簡敏修
Min-Hsiu Chien
論文名稱: 固態氧化物燃料電池結合微型氣渦輪機混成配置研究
Configuration Analysis of Pressurized and Atmospheric SOFC/Micro Turbine Hybrid Systems
指導教授: 蔣小偉
Hsiao-Wei Chiang
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 77
中文關鍵詞: 固態氧化物燃料電池氣渦輪機
外文關鍵詞: SOFC, Gas Turbine
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  • 能源是工業文明的基礎。根據經濟部能源局統計,台灣每年使用的能源超過98 %自國外進口,而2005年《京都議定書》正式生效後,能源成本不斷上升。種種外在因素使我國能源政策以積極推動節約能源、提高轉換效率、減少二氧化碳為研究目標。氫能源技術中的固態氧化物燃料電池結合渦輪機分散發電模式估計具70 %效率之開發潛力,比現今大規模使用的石化火力發電更適合成為下世代發電技術。
    本論文主題係探討新一代能源科技:固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC),其運轉所排出之高溫廢氣可被氣渦輪機(gas turbine, GT)利用進行二次發電,此混成(hybrid)發電模式可提高整體系統之熱利用率,達到減少能源使用量,提高發電效率之要求。本論文利用自行開發之Fortran數值模型,進行上述兩發電系統之混成性能模擬與尺寸匹配分析,結果發現在不增加額外部件下,常壓型混成系統仍可達到接近加壓型系統之高效率。


    Energy plays a vital role in national industrial development. Over 98 % demand of energy in Taiwan is imported. Besides, cost of energy rises rapidly since Kyoto Protocol was effective in February 2005. For reasons that make government actively promoting a policy of energy conservation, including reduction of carbon dioxide emission, new transformation technology research, etc. Solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid system has been predicted with potential of reaching 70 % efficiency, is one of the best choices to be the candidate of next generation power resource.
    This thesis is focused on a hybrid fuel cell/gas turbine power system with pressurized and atmospheric solid oxide fuel cell (SOFC). The exhausted heat of fuel cell stack is capable to be used by a gas turbine. Such a hybrid system can raise heat utilization and reduce energy consumption. In this research, we developed a numerical Fortran model to proceed the hybrid power plant simulation and system parameter analysis. The final result shows with on additional balance of plant equipment required, high efficiency atmospheric hybrid system is possible achieved compared with a pressurized system.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 IX 符號說明 X 第一章 緒論 1 1-1、 前言 1 1-2、 固態氧化物燃料電池 2 1-3、 氣渦輪機 3 1-4、 SOFC/GT混成系統 4 1-5、 文獻回顧 5 第二章 研究方法 8 2-1、 系統配置與SOFC/GT模組建立 9 2-1-1、 SOFC/GT系統配置設定 9 2-1-2、 混成系統配置設定 9 2-1-3、 SOFC BOP R 3.2.2 模組 10 2-1-4、 SOFC/GT配置規劃 11 2-1-5、 氣渦輪機模組匹配 14 2-2、 SOFC電化學理論 15 2-2-1、 重整與轉移反應 15 2-2-2、 SOFC燃料電池堆 16 2-3、 理論電壓與過電位 17 2-3-1、 活化過電位 18 2-3-2、 歐姆過電位 19 2-3-3、 濃度過電位 20 2-4、 布雷登循環 21 2-5、 壓縮機 22 2-5-1、 壓縮機熱力分析 22 2-5-2、 壓縮機幾何分析 24 2-6、 泵 26 2-7、 熱交換 26 2-8、 後燃器 28 2-9、 渦輪機 29 2-10、 壓縮機與渦輪機地圖 30 2-11、 熱回收鍋爐 31 2-12、 系統效率 32 第三章 研究結果與討論 33 3-1、 數值模型驗證 33 3-1-1、 SOFC模型驗證 33 3-1-2、 氣渦輪機實驗量測 34 3-1-3、 GT模型驗證軟體-GasTurb9 34 3-1-4、 GT模型驗證一:RGT-3600 35 3-1-5、 GT模型驗證二:Dynajet-NMGT 38 3-1-6、 SOFC/GT混成模型驗證 39 3-2、 混成系統案例分析 41 3-2-1、 加壓型系統 41 3-2-2、 常壓型混成系統 42 3-2-3、 改良常壓型混成系統 42 3-3、 案例參數效應 44 3-3-1、 加壓型混成系統 44 3-3-2、 改良常壓型混成系統 46 3-4、 系統最佳化 47 第四章 結論與建議 49 4-1、 建立適當的系統配置設計 49 4-2、 未來研究建議 50 參考文獻 52 圖目錄 圖一 固態氧化物燃料電池 2 圖二 氣渦輪機 3 圖三 BOP R3.2.2系統配置圖[14] 55 圖四 加壓型混成系統配置 56 圖五 常壓型混成系統配置 57 圖六 改良常壓型混成系統配置 58 圖七 RGT-3600氣渦輪發電系統配置 59 圖八 Dynajet-NMGT氣渦輪發電系統配置 59 圖九 壓力對SOFC內部陽極氣體莫耳分率影響 60 圖十 SOFC電池堆極化特性曲線[1] 60 圖十一 輪式回收器熱交換流程 61 圖十二 GT模型熱交換計算流程 61 圖十三 混成模型熱交換計算流程 61 圖十四 RGT-3600量測系統示意圖[2] 62 圖十五 負載階段壓縮比、空氣流量、轉速對時間變化[2] 62 圖十六 負載階段溫度、燃油流量對時間變化[2] 63 圖十七 RGT-3600量測數據輸入GasTurb9計算結果 63 圖十八 RGT-3600量測數據輸入GT模型計算結果 64 圖十九 Dynajet量測數據輸入GasTurb9計算結果 64 圖二十 Dynajet量測數據輸入GT模型計算結果 65 圖二十一 RGT-3600模型驗證誤差分布 65 圖二十二 Dynajet-NMGT模型驗證誤差分布 66 圖二十三 GT子系統與文獻[22]比對計算結果 66 圖二十四 固定電流密度與文獻[22]比對計算結果 67 圖二十五 固定操作電壓與文獻[22]比對計算結果 67 圖二十六 案例一混成計算結果 68 圖二十七 案例二混成計算結果 68 圖二十八 案例三混成計算結果之1 69 圖二十九 案例三混成計算結果之2 69 圖三十 操作壓力對加壓型混成系統影響 70 圖三十一 操作溫度對加壓型混成系統影響 70 圖三十二 熱交換效率對加壓型混成系統影響 71 圖三十三 操作壓力對常壓型混成系統影響 71 圖三十四 操作溫度對常壓型混成系統影響 72 圖三十五 熱交換效率對常壓型混成系統影響 72 圖三十六 加壓型系統最佳化結果 73 圖三十七 常壓型系統最佳化結果 73 表目錄 表一 電池內部材料阻抗係數[1] 20 表二 RGT-3600系統穩態設定 74 表三 Dynajet系統穩態設定 75 表四 混成系統穩態驗證設定 76 表五 案例一至案例三系統穩態設定 77

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