高温质子交换膜燃料电池系统的模拟与分析

摘要

高温质子交换膜燃料电池(High temperature proton exchange membrane fuel cell,HT-PEMFC)因为其环保、高效和较高的CO耐受度而受到广泛关注。本文模拟了两个HT-PEMFC系统,其中一个以氢气为燃料,称为直接氢气系统;另一个以天然气通过蒸汽重整获得的氢气为燃料,称为重整氢气系统。文中对燃料电池系统内部的设备分别进行了模拟,其中包括HT-PEMFC电堆、空压机、涡轮机、水泵、蒸汽重整器(Steam methane reformer,SMR),水气转换器(Water gas shifter,WGS)等组成单元。在对两个系统的热力学分析中采用了能量分析和火用分析相结合的方法,从“量”和“质”的角度全面的考虑了能量在整个系统中的流动与分配问题,从中分别得到了两个系统的能量流程图和各设备能量分配表。在进行能量分析的基础上,本研究综合从电堆温度、压力、入口气体相对湿度、化学计量数和甲烷蒸汽重整反应温度五个方面考虑了不同系统工作参数对系统的影响情况,并进行了相应的火用分析。
　　研究结果表明:对于两种燃料电池系统,提高电堆工作温度能显著提高系统性能,整个系统的总功率和效率都呈逐步增加的趋势。但提高电堆工作压力和电堆入口气体相对湿度以及阴极气体化学计量数对提高系统整体性能影响较小。对于直接氢气系统,增加阳极化学计量数对系统性能无太大影响,但对于重整氢气系统,增加阳极化学计量数会导致系统效率显著下降。对甲烷蒸汽重整系统的模拟显示在SMR、WGS反应温度分别为700℃、220℃时重整氢气系统效率最高。
　　对系统的热力学分析表明HT-PEMFC电堆是两个系统中火用损失最大的地方,除了电堆外,在直接氢气系统中,火用损失最大的地方是散热器,而在重整氢气系统中则是SMR。当电堆工作压力提高到2 atm时,空压机成了最大的耗功部件。本研究的结果对于实际的高温燃料电池系统设计和优化具有一定的指导意义。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 燃料电池的特点与分类

1.3 PEMFC的研究

1.4 基于HT-PEMFC的燃料电池系统研究

1.5 本文主要研究内容及意义

第二章 高温质子交换膜燃料电池系统模型的建立

2.1 HT-PEMFC系统建立

2.2 HT-PEMFC系统模拟方法

2.3 燃料电池系统中的热力学分析方法

2.4 燃料电池系统计算方法

2.5 模型验证

2.7 本章小结

第三章 不同工作参数下的系统模拟分析

3.1基本参数下的系统模拟结果

3.2不同电堆工作温度下的系统模拟结果

3.3不同电堆工作压力下的系统模拟结果

3.4不同电堆入口气体相对湿度下的系统模拟结果

3.5不同电堆阴阳极化学计量数下的系统模拟结果

3.6不同蒸汽重整温度下的系统模拟结果

3.7 本章小结

第四章 燃料电池系统的能量分布

4.1 燃料电池系统中的能量流动

4.2 系统中各设备的能量分布

4.3 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

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