To investigate the performance of an irreversible direct ammonia-fed solid oxide fuel cell, the direct ammonia-fed solid oxide fuel cell based on oxygen ion conductivity was modeled using finite time thermodynamic theory. First, mathematical expressions for the output power, output efficiency, ecological objective function and ecological coefficient of performance of the direct ammonia-fed solid oxide fuel cell were derived. Further, the effects of parameters such as operating tempera-ture, operating pressure, fuel utilization, and electrolyte thickness on the performance of direct ammonia-fed solid oxide fuel cell were numerically investigated. The results show that as the operating temperature of direct ammonia-fed solid oxide fuel cell increases, the performance of direct ammonia-fed solid oxide fuel cell including output power, output effi-ciency, ecological objective function and ecological coefficient of performance will be improved. Under certain conditions, increasing fuel utilization can improve output power, output efficiency and ecological performance. Increasing the elec-trolyte thickness will decrease the finite time thermodynamic performance of direct ammonia-fed solid oxide fuel cell. Moreover, the microstructure of the electrode also affects the performance of direct ammonia-fed solid oxide fuel cell, and the ecological objective function is increased by 16.9% when the electrode porosity is increased from 0.4 to 0.8.

In this paper, a novel system integrating direct methanol fuel cell (DMFC) and the Organic Rankine Cycle (ORC) is proposed to enhance output performance of the DMFC for residential buildings. A one-dimensional mass-transfer model of DMFC stack is developed, and 4E (Energy, Exergy, Economic, and Environmental) analysis is applied to investigate and evaluate the performance of the proposed system. The effects of methanol feed concentration, inlet pressure, current density, temperature, and stoichiometry on the 4E performance are analysed. The results indicate that the energy efficiency is 5 % higher than that of the standalone stack, and the exergy efficiency, levelized cost of energy (LCOE), mass specific emission (MSE) and sustainability index (SAI) achieve 0.31, 0.11 $/kWh, 0.72 kg/kWh, and 1.44 under the baseline condition, respectively. Moreover, the improvement of 4E performance can be achieved by appropriately increasing methanol concentration, pressure and temperature, while maintaining current density and stoichiometry within a lower range. The Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm utilizes the parameters obtained from the 4E analysis and the objective functions with different weights to ultimately obtain the pareto optimal solution of the proposed system. The results of multi-optimization compared to those of the baseline condition increase power by 30.43 %, exergy efficiency by 10.07 %, and reduce LCOE by 9.5 %. These results are instructive for the design and implementation of DMFC as a power source for residential buildings.