НАЗВАНИЕ СТАТЬИ:
Процессы преобразования энергии на установке с твердооксидным топливным элементом: прямое преобразование и утилизация тепла

СПИСОК АВТОРОВ:
Иванов П.П., Жук А.З., Липатова И.А.

СПИСОК АВТОРОВ (С РАСШИФРОВКОЙ):
Иванов Петр Павлович, Жук Андрей Зиновьевич, Липатова Ирина Александровна

DOI:
https://doi.org/10.33849/2025407

ПОСТУПИЛА В РЕДАКЦИЮ:
26 июня 2025 г.

ЖУРНАЛ:
Вестник Объединенного института высоких температур

ТОМ:
20

ГОД:
2025

СТРАНИЦЫ:
39-46

РУБРИКА:
Проблемы энергетики

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
термодинамическое моделирование; твердо-оксидные топливные элементы; внутренняя конверсия метана; эффективность преобразования энергии

КОДЫ КЛАССИФИКАТОРОВ:
УДК 536, 621.352, 621.4

АННОТАЦИЯ:
Разработан подход к определению термодинамической эффективности энергетической установки с топливным элементом. Для расчета электрической и тепловой мощности топливного элемента рассматривается его термодинамический цикл как последовательность изобарно-изотермических процессов разделения, смешения и электрохимического взаимодействия рабочих тел, в приближении полного преобразования в однонаправленных реакциях, в терминах приращений потоков термодинамических потенциалов~--- энтальпии и энергии Гиббса. Несовершенство топливного элемента учитывается коэффициентом нагрузки, равным отношению электрической мощности к термодинамическому пределу.  Показано, что в~твердооксидном топливном элементе с~внутренней конверсией метана доля прямого преобразования химической энергии метана в~электрическую мощность топливного элемента может превосходить 76 % при коэффициенте избытка окислителя (воздуха) около 2.5. Рассмотрены схемы утилизации остаточного тепла: внешнее охлаждении топливного элемента со сбросом тела в цикл Стирлинга и внутреннее охлаждении недогретыми реагентами с утилизацией тепла во встроенном субатмосферном цикле. Во втором случае КПД гибридной схемы достигает 86 %.

TITLE:
Energy conversion processes in a solid oxide fuel cell plant: direct conversion and heat recovery

AUTHORS:
Ivanov P.P., Zhuk A.Z., Lipatova I.A.

KEYWORDS:
thermodynamic modeling; solid oxide fuel cells; internal methane conversion; energy conversion efficiency

ABSTRACT:
An approach to determining the thermodynamic efficiency of a power plant with a fuel cell has been developed by considering a thermodynamic cycle as a sequence of isobaric-isothermal processes of separation, mixing, and electrochemical interaction of working fluids, in the approximation of complete conversion in unidirectional reactions, in terms of increments of thermodynamic potential flows - enthalpy and Gibbs energy. It has been shown that in a solid oxide fuel cell with internal methane conversion, the share of direct conversion of methane chemical energy into the electric power of the fuel cell can exceed 76\% with an excess oxidizer (air) coefficient of about 2.5. The following residual heat utilization schemes are considered: external cooling of the fuel cell with body discharge into the Stirling cycle and internal cooling with subcooled reagents with heat utilization in the built-in subatmospheric cycle. In the second case, the efficiency of the hybrid scheme reaches 86\%.