天然ガスSOFC結合熱ポンプ熱電併給システムの熱力学的分析

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摘要

【目的】熱電併給システムのエネルギー利用効率と総合性能を向上させ、従来システムの熱効率および(火用)効率の低さの問題を解決するために、固体酸化物形燃料電池(SOFC)とリチウムブロマイド吸収式熱ポンプを組み合わせた新しい熱電併給システムを提案した。【方法】まず、システムの熱力学的および経済性分析モデルを構築した。本システムはSOFCを用いて酸素濃縮燃焼を行い、発生した高温排ガスを順次空気予熱、メタン予熱、水予熱および蒸気作成に利用し、生成した蒸気でリチウムブロマイド吸収式熱ポンプを駆動して供給熱を実現する;その後、パラメータ感度分析手法を用いて、システム性能に対する水炭比、SOFC動作温度および燃料利用率の3つの主要パラメータの影響規則を調査した。【結果】研究により、水炭比の増加に伴い、SOFC発電効率とシステム熱効率は低下し、熱ポンプ性能係数(COP)は約1.72付近で安定することが示された;動作温度の上昇に伴い、発電効率とシステム熱効率は著しく向上した;燃料利用率の向上に伴い、発電効率は増加したがシステム熱効率はやや低下した。水炭比2、動作温度1,000℃、燃料利用率0.85の最適運転条件下で、システムの発電効率は52%、(火用)効率は56.6%、熱効率は100.54%に達した。基準システムと比較して、本システムの熱効率は20%向上し、(火用)効率は2.6%向上し、実効平準化エネルギーコストは0.1026ドル/(kW・h)、動的投資回収期間は8年であった。【結論】本結合システムはエネルギーカスケード利用モードを最適化することで、エネルギー利用効率と総合性能を著しく向上させ、経済性と工学的応用の潜在力を有する。研究で明らかになった主要パラメータの影響メカニズムは、システムの最適設計と運転制御に理論的基盤を提供する。

关键词

固体酸化物形燃料電池;リチウムブロマイド吸収式熱ポンプ;熱電併給;エネルギー効率評価;動的投資回収期間

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