装有燃料处理器的高温质子交换膜燃料电池的动态建模



装有燃料处理器的高温质子交换膜燃料电池的动态建模

建立了装有燃料处理器的高温质子交换膜燃料电池的动态模型，分析了其动态特性。动态模型建立在典型的高温质子交换膜燃料电池稳态模型基础上，包括燃料处理系统（包括自热重整反应器ATR和水汽转移反应器）、燃料电池堆、废气燃烧器（包括加湿器）。燃料、空气和加湿器产生的水蒸气进入燃料处理系统，经过重整、净化产生反应物，并与预热空气进入电池反应堆，产生电能，废气经过废气燃烧器处理。废气处理器连接加湿器。此动态模型能够很好体现出整体系统及每个系统模块的稳态及动态特性。

单位燃料电池模型简化成准三维几何结构，能够快速预测出燃料电池特性分布。各种运作条件如水蒸气与碳之比（S/C）、氧气与碳之比（O/C）、ATR入口温度均是可变的，进行仿真验证，且研究不同值对系统运作行为的影响。仿真结果表明，相同ATR入口温度下，不同S/C燃料电池的气体处理效率基本一致；随着ATR入口温度增加，气体处理效率增高；但较高S/C，会出现较低氢气含量，影响燃料电池工作效果；较高的S/C需要更多热量获取水蒸气，且回收能量降低，系统效率降低；较高的O/C会产生不必要的氧化反应，其产生的热量影响燃料电池气体处理效率和发电效率，且会降低热交换器产生的回收能量；低的含氧量会降低废气燃烧器中产生的热量。

此动态模型能够有效地预测动态电流需求过程中反应堆电压。在燃料利用率恒定下，电效率会降低，实际电流无法跟随目标电流。为此，提出并应用一种效率控制器，确定瞬态反应过程中最优燃料流量，维持电效率。

刊名：International Journal of Hydrogen Energy（英）

刊期：2014年第39期

作者：Jaeman Park

编译：谢秀磊