裝有燃料處理器的高溫質子交換膜燃料電池的動態建模

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裝有燃料處理器的高溫質子交換膜燃料電池的動態建模

建立了裝有燃料處理器的高溫質子交換膜燃料電池的動態模型，分析了其動態特性。動態模型建立在典型的高溫質子交換膜燃料電池穩態模型基礎上，包括燃料處理系統（包括自熱重整反應器ATR和水汽轉移反應器）、燃料電池堆、廢氣燃燒器（包括加濕器）。燃料、空氣和加濕器產生的水蒸氣進入燃料處理系統，經過重整、凈化產生反應物，并與預熱空氣進入電池反應堆，產生電能，廢氣經過廢氣燃燒器處理。廢氣處理器連接加濕器。此動態模型能夠很好體現出整體系統及每個系統模塊的穩態及動態特性。

單位燃料電池模型簡化成準三維幾何結構，能夠快速預測出燃料電池特性分布。各種運作條件如水蒸氣與碳之比（S/C）、氧氣與碳之比（O/C）、ATR入口溫度均是可變的，進行仿真驗證，且研究不同值對系統運作行為的影響。仿真結果表明，相同ATR入口溫度下，不同S/C燃料電池的氣體處理效率基本一致；隨著ATR入口溫度增加，氣體處理效率增高；但較高S/C，會出現較低氫氣含量，影響燃料電池工作效果；較高的S/C需要更多熱量獲取水蒸氣，且回收能量降低，系統效率降低；較高的O/C會產生不必要的氧化反應，其產生的熱量影響燃料電池氣體處理效率和發電效率，且會降低熱交換器產生的回收能量；低的含氧量會降低廢氣燃燒器中產生的熱量。

此動態模型能夠有效地預測動態電流需求過程中反應堆電壓。在燃料利用率恒定下，電效率會降低，實際電流無法跟隨目標電流。為此，提出并應用一種效率控制器，確定瞬態反應過程中最優燃料流量，維持電效率。

刊名：International Journal of Hydrogen Energy（英）

刊期：2014年第39期

作者：Jaeman Park

編譯：謝秀磊