基于重整氫氣的高溫PEMFC系統(tǒng)的模擬分析

冶 麟，賈 濱，尹 燕

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于重整氫氣的高溫PEMFC系統(tǒng)的模擬分析

冶 麟，賈 濱，尹 燕

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為了分析高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)系統(tǒng)在不同工況下的效率，模擬了一個(gè)以天然氣蒸汽重整氫氣為燃料的 HT-PEMFC發(fā)電系統(tǒng)．該系統(tǒng)由燃料電池堆(電堆)、甲烷蒸汽重整器(SMR)、水氣反應(yīng)器(WGS)、空壓機(jī)、換熱器、空冷器及水泵等單元組成．研究了電堆溫度、系統(tǒng)壓力、陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)和蒸汽重整溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，分析了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)中各組成單元的能量損失、損失和功率分布情況．結(jié)果表明：隨著電堆和SMR溫度的升高，系統(tǒng)效率顯著提高，而在SMR溫度超過700,℃后系統(tǒng)效率開始下降；系統(tǒng)壓力、陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)和WGS溫度對(duì)系統(tǒng)效率影響較?。辉趩坞姵仉妷簽?.7,V時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的效率可以達(dá)到46.5%．

高溫質(zhì)子交換膜燃料電池；系統(tǒng)效率；分析；甲烷蒸汽重整；能量損失

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其產(chǎn)物只有水，無噪聲無污染，因此是公認(rèn)的環(huán)境友好的發(fā)電裝置之一．此外，PEMFC較其他燃料電池具有功率密度高、啟動(dòng)快速等優(yōu)點(diǎn)．但是傳統(tǒng)的低溫 PEMFC (low temperature PEMFC，LT-PEMFC)存在著水管理復(fù)雜、電極催化劑的CO中毒(要求燃料氣中CO摩爾分?jǐn)?shù)小于 2×10-6)等問題[1-3]．最近，工作溫度在100～200,℃的高溫 PEMFC(high temperature PEMFC，HT-PEMFC)得到了廣泛關(guān)注．由于電池內(nèi)部沒有液態(tài)水，不需要外部加濕，水管理變得更加簡(jiǎn)單．而CO耐受度也相對(duì)有所改善，如130,℃時(shí)要求CO的摩爾分?jǐn)?shù)小于0.1%[4-5]．

由于燃料電池系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，研究整個(gè)系統(tǒng)中各單元的參數(shù)變化以及能量分布對(duì)提高系統(tǒng)效率至關(guān)重要[6-11]．在對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行能量分析時(shí)，分析是基于能量分布研究的方法之一[7-10]．分析從“量”和“質(zhì)”兩方面對(duì)能量進(jìn)行研究，能更加全面地反映系統(tǒng)中的能量分布情況．從有關(guān) LT-PEMFC系統(tǒng)分析中可知，由于溫度較低，從系統(tǒng)中流出的熱量利用價(jià)值不高，即值較低[9]，且系統(tǒng)散熱困難[10-11].此外，由于LT-PEMFC系統(tǒng)對(duì)燃料中CO含量有嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致燃料重整模塊十分復(fù)雜．

目前關(guān)于HT-PEMFC系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)模擬方面．由于系統(tǒng)核心單元電池堆(電堆)的模擬研究結(jié)果還比較少，導(dǎo)致 HT-PEMFC綜合發(fā)電系統(tǒng)的研究仍不多見．Arsalis等[12]模擬了一套應(yīng)用于家庭的HT-PEMFC系統(tǒng)，運(yùn)用LabVIEW軟件分別模擬了電堆、甲烷蒸汽重整器(steam methane reformer，SMR)、水氣反應(yīng)器(water gas shifter，WGS)、燃燒器和蒸發(fā)器．結(jié)果顯示該系統(tǒng) 25%負(fù)載和全負(fù)載時(shí)的效率分別為45.4%和38.8%．Korsgaard等[13-14]研究了熱電聯(lián)產(chǎn) HT-PEMFC系統(tǒng)及其控制單元．對(duì)于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其電堆性能、系統(tǒng)操作條件(如壓力、溫度、化學(xué)計(jì)量數(shù))與系統(tǒng)效率緊密相關(guān)，但目前關(guān)于上述參數(shù)變化對(duì)整個(gè)HT-PEMFC系統(tǒng)影響的研究相對(duì)較少，尤其從的角度對(duì)HT-PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行能量分析的研究鮮見報(bào)道．

本文模擬了一套 5,kW 級(jí)用于住宅發(fā)電的 HTPEMFC系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)基于HT-PEMFC電堆的系統(tǒng)模型，通過模擬分析得到了不同電堆溫度、系統(tǒng)壓力、陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)和蒸汽重整溫度條件下的 HTPEMFC發(fā)電系統(tǒng)效率分布情況，并對(duì)系統(tǒng)各單元的能量分布進(jìn)行了分析．這些結(jié)論對(duì)于實(shí)際的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義．

1 燃料電池系統(tǒng)模型

1.1 物理模型

圖 1顯示了整個(gè)重整氫氣 HT-PEMFC系統(tǒng)框圖，其中鍋爐和 SMR整合在一起．系統(tǒng)中電堆由一系列單電池串聯(lián)組成，其中單電池的模型采用了文獻(xiàn)[3]中的模擬方法．圖 2給出了該電池模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比[3]，可以看出此模型能夠較準(zhǔn)確地模擬電池在不同工況下的性能．

圖1 HT-PEMFC系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of HT-PEMFC system

圖2 單電池模擬值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.2 Comparison between single cell simulation and the experimental data

1.2 模型假設(shè)

整個(gè)系統(tǒng)模擬中的假設(shè)如下：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行；天然氣為純甲烷；電堆中生成的熱量有 20%通過自然散熱擴(kuò)散到環(huán)境中，其他設(shè)備沒有熱量損失；電堆入口冷卻水為飽和水，出口為干度 10%的水氣；空壓機(jī)、空冷器風(fēng)扇、通風(fēng)機(jī)、渦輪機(jī)和水泵的效率分別為78%、70%、85%、85%和85%；所有設(shè)備的壓力損失為1.52,kPa(0.015,atm)[14]．

2 計(jì)算方法

2.1 甲烷蒸汽重整模塊

本文中甲烷蒸汽重整模塊主要分析 SMR和WGS兩個(gè)設(shè)備．在SMR計(jì)算中主要考慮下列反應(yīng)：

而 WGS中的反應(yīng)如式(2)所示．所有的化學(xué)反應(yīng)都依據(jù)化學(xué)平衡的方法進(jìn)行計(jì)算[16]．

2.2 系統(tǒng)計(jì)算

根據(jù)圖1所示，系統(tǒng)的凈功率和效率計(jì)算式可以表示為

式中：Wn為系統(tǒng)凈功率；Ws、Wc、Wt、Wf、Wp和Wb分別為電堆、空壓機(jī)、渦輪機(jī)、空冷器風(fēng)扇、水泵和通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生或消耗的功率，kW；ηs為系統(tǒng)效率；mCH4為甲烷的入口摩爾流量，mol/s；LHVCH4為甲烷的低熱值，kJ/mol．

電堆產(chǎn)生的總功率為

式中：Ec為電池的電壓，V；Jc為電池的電流密度，A/cm2；Ac為電池的面積，cm2；Nc為電池的個(gè)數(shù)．

系統(tǒng)中各設(shè)備的能量損失 El和損失 Ex,l分別為

式中：Ei、Ex,i和 Eo、Ex,o分別為流入和流出該設(shè)備的總能量和總值；Ew和 Ex,w分別為從該設(shè)備直接流向環(huán)境而浪費(fèi)的能量和值，kW．

3 模型驗(yàn)證

由于 HT-PEMFC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究較少，本文采用文獻(xiàn)[12]中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證．圖3顯示了在文獻(xiàn)[12]的系統(tǒng)工作參數(shù)條件下，該文獻(xiàn)與本研究的計(jì)算結(jié)果．可以看到，本文計(jì)算得到的效率-功率關(guān)系曲線與參照文獻(xiàn)中的曲線有一定的系統(tǒng)誤差(相差2%左右)，這可能是由于參照文獻(xiàn)[12]與本文所采用的電池模型不同，其交換電流密度與磷酸含量的取值有所差異，導(dǎo)致電池計(jì)算功率出現(xiàn)一定的差別，從而影響系統(tǒng)效率的分布．但兩者效率的變化趨勢(shì)一致，這說明本文的系統(tǒng)模型可以較準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)效率的變化規(guī)律．由于單電池效率在接近最大功率時(shí)會(huì)急劇下降，但在功率較小時(shí)呈現(xiàn)較好的線性特征，所以燃料電池系統(tǒng)效率也會(huì)出現(xiàn)類似的分布[6,10-11]．參照文獻(xiàn)[12]中的系統(tǒng)最大功率可達(dá) 2.2,kW，本文重點(diǎn)計(jì)算了常用工況下，即 1,kW 以內(nèi)的效率，故得到的效率值線性度較好．為了討論較大功率范圍內(nèi)的系統(tǒng)性能，下文對(duì)系統(tǒng)大功率值時(shí)的情況也做出了計(jì)算．

圖3 系統(tǒng)模擬結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 Validation of fuel cell system simulation

4 結(jié)果與討論

表1列出了模擬整個(gè)HT-PEMFC系統(tǒng)時(shí)的基本參數(shù)，在改變某參數(shù)值時(shí)其他值都以表1為準(zhǔn)．

表1 系統(tǒng)基本工作參數(shù)Tab.1 System basic operating parameters

4.1 電堆溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響

圖4為HT-PEMFC系統(tǒng)在不同電堆溫度下的系統(tǒng)效率和凈功率分布(輸出功率)．可見，電堆溫度對(duì)系統(tǒng)功率和效率影響很大．隨著電堆溫度的升高，整個(gè)系統(tǒng)的功率分布范圍逐漸增加；在相同的凈功率下，系統(tǒng)效率也隨之提高．這主要是由于在溫度升高時(shí)，電池的化學(xué)反應(yīng)活性提高，電池性能得到改善．而電堆溫度對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備影響較小，相應(yīng)的整個(gè)系統(tǒng)效率也同時(shí)增加．上述3個(gè)溫度由低到高時(shí)，在單電池處于常用電壓 0.7,V時(shí)系統(tǒng)的效率分別為44.7%、46.5%和 46.8%．由于本文中該系統(tǒng)用于普通住宅發(fā)電，電堆溫度在160,℃時(shí)即可滿足設(shè)計(jì)需求．

圖4 不同電堆溫度下系統(tǒng)效率與凈功率的關(guān)系Fig.4 Relationship between system efficiency and net power at different fuel cell stack temperatures

4.2 系統(tǒng)壓力對(duì)系統(tǒng)效率的影響

圖5為HT-PEMFC系統(tǒng)在不同系統(tǒng)壓力下的效率和凈功率分布，其中壓力分別取常用壓力101.325,kPa(1,atm)和 202.650,kPa(2,atm)，此時(shí)系統(tǒng)所有設(shè)備都處于相應(yīng)的壓力狀態(tài)，其他參數(shù)見表1．

圖5 不同系統(tǒng)壓力下系統(tǒng)效率與凈功率的關(guān)系Fig.5 Relationship between system efficiency and net power at different system pressures

從圖5可知，改變系統(tǒng)壓力對(duì)系統(tǒng)效率和功率的影響不明顯．雖然單電池模擬結(jié)果顯示在壓力升高時(shí)電池性能有所提升，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，壓力從101.325,kPa上升到 202.650,kPa時(shí)系統(tǒng)設(shè)備的功率損耗，尤其是空壓機(jī)消耗的電功率明顯增加，其值從0.101,kW 增加到 0.285,kW．另外從化學(xué)平衡的角度來看，高壓也不利于蒸汽重整中氫氣的生成．這說明增加系統(tǒng)壓力對(duì)提高系統(tǒng)的綜合性能作用不明顯．

4.3 陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響

圖6給出了HT-PEMFC系統(tǒng)在陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)(ST)分別為 2.0、3.0、5.0時(shí)系統(tǒng)效率及凈功率的分布. 由圖可見，隨著陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)的增加，系統(tǒng)效率和凈功率都有不同程度的下降．這主要是因?yàn)樵陉帢O反應(yīng)所需空氣量足夠以后，提高陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)對(duì)提高電池性能作用不大，即無法有效提高電堆總功率，卻能影響系統(tǒng)的消耗功率．陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)由2.0依次增加到3.0和5.0時(shí)，空壓機(jī)所需最大電功率分別為 1.648,kW、2.483,kW和 4.137,kW．ST由 2.0增加到 3.0時(shí)，空壓機(jī)所需的最大電功率增長(zhǎng)了50.7%，而ST由3.0增加到5.0時(shí)，空壓機(jī)所需的電功率增長(zhǎng)了 66.6%．由此可見，增加陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)對(duì)提高燃料電池系統(tǒng)性能的影響并不顯著．

圖6 不同陰極化學(xué)計(jì)量數(shù)下系統(tǒng)效率與凈功率的關(guān)系Fig.6 Relationship between system efficiency and net power at different cathode stoichiometries

4.4 蒸汽重整溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響

由于本文中蒸汽重整模塊考慮SMR和WGS兩個(gè)設(shè)備，所以對(duì)重整模塊的產(chǎn)氫效率進(jìn)行了分析，如圖 7所示．其中單電池電壓取 0.7,V，系統(tǒng)其他參數(shù)見表1．產(chǎn)氫效率ηH為

圖7 重整溫度對(duì)產(chǎn)氫效率的影響Fig.7 Influence of reforming temperature on hydrogen yield efficiency

從圖 7中可以看到，SMR溫度對(duì)產(chǎn)氫效率有較大的影響．隨著 SMR溫度的上升，產(chǎn)氫效率也隨之大幅增加．相對(duì)于 SMR，WGS溫度變化對(duì)產(chǎn)氫效率影響較?。@也是因?yàn)镾MR中的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)的緣故，反應(yīng)(1)、(2)、(3)溫度越高，化學(xué)平衡向右移動(dòng)，從整體上產(chǎn)出的 H2越多．同理，WGS中的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以降低反應(yīng)溫度可以提高產(chǎn)氫效率．計(jì)算結(jié)果顯示在SMR溫度為800,℃、WGS溫度為 200,℃時(shí)，重整系統(tǒng)產(chǎn)氫效率達(dá)到最高，為79.3%．從增加蒸汽重整產(chǎn)氫效率的角度出發(fā)，SMR溫度應(yīng)盡量提高，而WGS溫度則盡量降低．

圖8為不同SMR和WGS溫度共同影響下的HT-PEMFC系統(tǒng)效率分布．可以看出，相對(duì)于 WGS溫度，SMR反應(yīng)溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響較大．隨著SMR溫度的升高，系統(tǒng)效率也隨之增加并在 700,℃時(shí)達(dá)到最大值，之后開始下降．這是因?yàn)殡m然升高SMR的溫度可以提高蒸汽重整模塊中氫氣的產(chǎn)量，但系統(tǒng)所需的總?cè)剂蠒?huì)有所增加．這兩項(xiàng)因素的疊加使系統(tǒng)效率產(chǎn)生了上述分布現(xiàn)象．WGS溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響不明顯，這是因?yàn)樵谏鲜鰷囟葪l件下，CO摩爾分?jǐn)?shù)的變化對(duì)HT-PEMFC性能影響較小，這也同時(shí)體現(xiàn)了 HT-PEMFC對(duì) CO耐受度高的特點(diǎn)．通過模擬分析可以看出，在SMR溫度為700,℃、WGS溫度為220,℃時(shí)系統(tǒng)效率最高(46.5%)．

圖8 蒸汽重整溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響Fig.8 Influence of steam reforming temperature on system efficiency

4.5 系統(tǒng)中各單元的能量與功率分布

圖9給出了整個(gè)HT-PEMFC系統(tǒng)中的主要能量分布，其中圖 9(c)中電堆和渦輪機(jī)為輸出電功率，其他為設(shè)備所需的凈電功率．此時(shí)燃料電池電壓為0.4,V，即系統(tǒng)處于最大輸出功率狀態(tài)，所有設(shè)備壓力為 202.650,kPa(2,atm)，其他參數(shù)見表 1．壓力取202.650,kPa(2,atm)是為了更好地分析如空壓機(jī)、渦輪機(jī)等設(shè)備的能量以及功率分布情況．由圖 9(a)可知，空冷器中的能量損失最大，電堆生成的熱量主要由這里排出；其次是SMR，這是由于SMR中因消耗電堆陽(yáng)極廢氣及補(bǔ)充的天然氣而產(chǎn)生較多熱量；最后是電堆，主要由電堆自然散熱導(dǎo)致．圖9(b)中損失的分布與能量損失的分布相差較大，其中電堆損失最大，說明電堆內(nèi)部的反應(yīng)不可逆損失較大；其次為SMR，這是因?yàn)?SMR廢氣溫度比較高(617,℃)，能量的“質(zhì)”較高．空冷器的損失最小，這是因?yàn)闇囟容^低(121,℃)造成的．由于空冷器的能量損失最大，所以這部分熱量可以用于加熱生活用水或者熱電聯(lián)產(chǎn)．在圖 9(c)中，除了電堆之外，渦輪機(jī)和空壓機(jī)在系統(tǒng)總功率中占到了近14%，而其他設(shè)備功率所占比例相對(duì)很小．如果要增大系統(tǒng)的凈功率和效率，首先要降低空壓機(jī)和渦輪機(jī)的功率損失．

圖9 系統(tǒng)各單元能量分布Fig.9 Energy distribution of system component

5 結(jié) 論

(1) 在電堆允許工作溫度范圍內(nèi)，升高電堆溫度可以有效地提高系統(tǒng)效率和功率．

(2) 高于常壓時(shí)，增加系統(tǒng)壓力對(duì)系統(tǒng)性能無明顯改善，高壓時(shí)空壓機(jī)消耗了大量的電功．

(3) 升高蒸汽重整器溫度可以顯著提高系統(tǒng)效率，但在超過 700,℃后效率開始下降．改變水氣反應(yīng)器的溫度對(duì)系統(tǒng)效率影響較小．

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(責(zé)任編輯：金順愛)

Modeling and Analysis of HT-PEMFC System Based on Reformed Hydrogen

Ye Lin，Jia Bin，Yin Yan
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to study the efficiency of high temperature proton exchange membrane fuel cell(HT-PEMFC) system under different operating conditions，an HT-PEMFC power system was modeled，which was fueled with steam reformed hydrogen by natural gas. The system was consisted of several components including fuel cell stack，steam methane reformer(SMR)，water gas shifter(WGS)，air compressor，heat exchanger，air cooler and pump，etc. The effects of various parameters，such as fuel cell stack temperature，system pressure，cathode stoichiometry and steam methane reforming temperature，on the efficiency of the system were studied. The energy，exergy losses and the power distribution of different components in the system were also analyzed. The results indicate that the system efficiency improves significantly with the increases of the fuel cell stack temperature and the SMR temperature，while the efficiency starts to decrease when the SMR temperature is over 700,℃. The system pressure，cathode stoichiometry and WGS temperature have insignificant influence on the system efficiency. When the single cell voltage is 0.7,V，efficiency of the whole system can reach 46.5%.

high temperature proton exchange membrane fuel cell；system efficiency；exergy analysis；steam methane reforming；energy loss

TM911.47

A

0493-2137(2015)04-0341-06

10.11784/tdxbz201310023

2013-10-10；

2013-12-17.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB215500)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11JCZDJC23500，11JCYBJC07400).

冶 麟（1989— ），男，碩士，yelin812984844@163.com.

尹 燕，yanyin@tju.edu.cn.

時(shí)間：2014-01-03.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201310023.html.