低温燃料电池热力学设计与软件研制文献综述

 2022-11-26 16:06:40
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文 献 综 述

  1. 研究背景
  2. 选题意义

进入21世纪以来，由于受能源危机与环境污染的影响，具有清洁、高效、稳定、无噪声等特点的燃料电池迎来了新的发展热潮，成为最具开发前景的能源之一。其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)因为功率密度高、工作温度低、使用寿命长等诸多优点，在近几年来得到迅速的发展，其中主要以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究最多，已成功运用于航天、潜艇、电站、通信混合动力车辆、移动便携设备、无人机等领域。

  1. 研究主要问题

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的热力学模型可以归为两大类，一类是基于能量守恒定律的理论模型；另一类是基于实验研究的半经验模型。PEMFC的热力学特性是设计电池及应用系统的重要内容，本课题同时采用能量分析、熵产分析和㶲分析的方法，编制计算软件，研究PEMFC及典型应用系统的热力特性（第一、二定律效率），深入了解PEMFC及典型应用系统性能，也为类似系统的分析提供参考。

  1. 拟达到的目的

建立PEMFC物性计算模型、能量分析、熵产分析和㶲分析计算模型及相应程序编制，深入研究一个典型PEMFC应用系统的热力性能。

  1. 研究现状

燃料电池可按照其电解质，可将燃料电池分为碱性燃料电池(AFC),磷酸型燃料电池(PAFC),质子交换膜燃料电他(PEMFC),熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC),固体氧化物燃料电池(SOFC)[9]。按电池温度对燃料电池进行分类也是一种较常用的方法， 分为低温燃料电池，即工作温度一般低于100℃，其中最典型的是质子交换膜燃料电池;中温燃料电池，工作温度一般在在 100-300℃之间，包括碱性燃料电池:和磷酸型燃料电池;而高温燃料电池工作温度一般在600-1000℃之间，其中包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。[19]PEMFC 主要由质子交换膜(PEM)、阴/阳极电催化剂层、阴/阳气体扩散层和气体流道等部件组成。其中质子交换膜(PEM)、阴/阳极电催化层、阴/阳气体扩散层合称为“膜电极”;气体流道在兼有导电作用的极板表面表面加工而成。在一定夹紧压力下，将两极板夹在膜电极两侧，构成单体燃料电池，简称“单电池”。将一定数量的单电池依次叠加，组成“电堆”。[13]质子交换膜作为膜电极的核心部分之一，与一般化学电源中使用的隔膜不同，它不仅是一种起着隔离燃料和氧化剂作用的隔膜材料，还是一种选择透过性膜， 同时也是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底叫。用于FEMFC的质子交换膜必须满足下述条件:具有高的H传导能力、一定黏性和机械强度，良好的化学与电化学稳定性、低的反应气体(如氢气、氧气)的渗透系数[11]。质子交换膜燃料电池的结构构造与工作原理：

图1.燃料电池结构与工作原理图

图来自李鹏程[3]氢气和氧气分别到达阳极流道与阴极流道后，透过气体扩散层到达催化层。氢气在阳极催化层催化剂作用下，氢质子与电子之间化学键断裂，分解成氢离子和电子。质子交换膜中的磺酸基团具有亲水性，氢离子与水分子结合以水合氢离子 H ( xH2O)的形式在质子交换膜中从一个磺酸基转移到另一个磺酸基，最后达到阴极，实现从阳极侧到阴极侧转移。在另一项研究中，Ekiz等人[8]表明，根据阴极的边界操作条件，通过增加入口速度和出口压力，增加阳极的氧气供应可以改善电池性能。Taner [16]和Kim等人[17]表明，质子交换膜燃料电池的耐久性在高温下会降低。热力学分析燃料电池内部发生的电化学反应如下： H2(g) O2(g) →H2O(L) 燃料电池产生的热量通过电池边界以热对流和辐射的形式传递到周围环境中。公维磊,马金花,赵静,白忠权等[1]建立了质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆的热力学分析模型，研究了运行温度、气体分压和阳极流量等工作参数对燃料电池堆能量效率和火用 效率的影响。 结果表明：对气体加压，能提高热力学能效率和火用 效率；温度升高时，系统性能无明显变化；阳极流量增加时，系统的热力学能效率和㶲效率有所降低。

能量分析：一个单体质子交换膜燃料电池能量平衡方程可表达为

sum; mass,in－sum; mass,out＋ diss－ ret=0 （1）

㶲分析是基于热力学第二定律对一个系统进行能量分析，基于热力学第一定律的质子交换膜燃料电池效率分析，没有考虑到能量的最大可用性，因此能量分析会产生误导。 从另一方面来说，热力学第二定律能量效率或㶲效率是燃料电池输出电能与最大可能做功的比值，这样能反映出所测定质子交换膜燃料电池的真实技术性能。[12]

根据文献，杨和张[7]设计了不可逆质子交换膜燃料电池的参数(质子交换膜燃料电池的工作电流密度、温度和压力)分析。根据文献。Tolga Taner[2]研究压力和电压参数方面对质子交换膜燃料电池性能的影响，随着压力和电压的增加，能量和效率降低，在1bar压力下，1伏的能量效率为47.6%。质子交换膜燃料电池在1bar压力下的㶲效率为50.4%。李鹏程，高松，孙宾宾[3]等基于质子交换膜燃料电池工作机理,以经验模型为基础,建立质子交换膜燃料电池开路电压模型、三种电压损失模型、端电压动态模型。以影响其输出特性的电池工作温度和工作压力作为输入,利用Matlab/Simulink仿真平台对模型进行仿真,并进行相应分析,提出了在中低电流密度区提高电池工作温度、在高电流密度区提高电池工作压力以提高电池性能的工作方案。在一定范围内提高燃料电池的工作压力和电池温度可以减小电压损失，提高质子交换膜燃料电池极化电压，提高输出性能。Adeel Arshada, Hafiz Muhammad Alib, Arslan Habibc, Muhammad Anser Bashird,Mark Jabbala, Yuying Yana[5]根据热力学第一定律(Flt)和热力学第二定律(SLT)，给出了燃料电池系统的质量、能量、熵和㶲的控制方程，更具体地讨论了燃料电池系统的能量和㶲分析Guokun Liu, Yanzhou Qin, Yifan Yin, Xianzu Bian, Changchun Kuang[4]研究开发了一个典型的PEMFC电力系统，建立了该系统的热力学模型。进行仿真，得到系统中各辅助部件的功率分布、系统的净功率和功率效率。将㶲分析应用于系统，提出了系统㶲损失、㶲效率和生态功能指标来评价系统性能还分析了不同堆入口温度和电流密度下的系统性能。Keoagile Mogorosi, M. Tunde Oladiran, Edward Rakgati[6]通过实验研究了系统的性能，并在Matlab/Simulink中实现了动态电气模型。模拟模型能够预测效率、功率和燃料电池潜力。该模型还进行了负载变化测试，以找出实时响应。实验结果证实了这一结果。对比表明，该模型是有效的，可用于80度以下低温运行的燃料电池系统的优化。

对于我们本次实验的质子交换膜燃料电池，我们基于质子交换膜燃料电池工作机理, 以经验模型为基础，对质子交换膜燃料电池的工作条件进行数值模拟[20]，利用能量分析、熵产分析[19]和㶲分析[2]的计算公式， 建立计算模型。

参考文献

  1. 公维磊,马金花,赵静,白忠权.质子交换膜燃料电池堆的热力学分析[J].可再生能源,2011,29(05):124-128.
  2. Tolga Taner,Energy and exergy analyze of PEM fuel cell: A case study of modeling and simulations[J].Energy ,2018,143: 284-294
  3. 李鹏程,高松,孙宾宾.质子交换膜燃料电池电压仿真与分析[J].山东理工大学学报(自然科学版),2021,35(01):56-62.
  4. Liu G, Qin Y, Yin Y, etc. Thermodynamic modeling and exergy analysis of proton exchange membrane fuel cell power system [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45: 29799-29811.
  5. Arshad A, Ali H M, Habib A, etc. Energy and exergy analysis of fuel cells: A review [J].Thermal Science and Engineering Progress, 2019, 9: 308-321.
  6. Mogorosi Keoagile,Oladiran M. Tunde,Rakgati Edward. Mathematical Modelling and Experimental Investigation of a Low Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J].Energy and Power Engineering,2020,12(11):289-296.
  7. Puqing Yang,Houcheng Zhang. Parametric analysis of an irreversible proton exchange membrane fuel cell/absorption refrigerator hybrid system[J]. Energy,2015,85:306-315.
  8. Ekiz A, Camcı T, Tuuml;rkmen I, Sankır M, Uslu S, Baker DK, et al. Modeling ofbipolar plates for proton exchange membrane fuel cells[J]. Fac Eng Archit GaziUniv ,2011,26(3):591-605.
  9. 衣宝廉．燃料电池: 原理·技术·应用［M］．北京: 化学工业出版社，2003．
  10. Koncar Gerald T,Marianowski Leonard G.Proton exchange membrane fuel cell

separator plate[P].United States,US Patent 942347,1999-08-24

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  2. 沈维道，童钧耕. 工程热力学（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，2016.
  3. 任东华.质子交换膜燃料电池性能影响研究[D].江苏:南京理工大学,2007. DOI:10.7666/d.y1153938.
  4. 张燕, 王正. 质子交换膜燃料电池[J]. 可再生能源, 2005(4)：47-50.
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文 献 综 述

  1. 研究背景
  2. 选题意义

进入21世纪以来，由于受能源危机与环境污染的影响，具有清洁、高效、稳定、无噪声等特点的燃料电池迎来了新的发展热潮，成为最具开发前景的能源之一。其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)因为功率密度高、工作温度低、使用寿命长等诸多优点，在近几年来得到迅速的发展，其中主要以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究最多，已成功运用于航天、潜艇、电站、通信混合动力车辆、移动便携设备、无人机等领域。

  1. 研究主要问题

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的热力学模型可以归为两大类，一类是基于能量守恒定律的理论模型；另一类是基于实验研究的半经验模型。PEMFC的热力学特性是设计电池及应用系统的重要内容，本课题同时采用能量分析、熵产分析和㶲分析的方法，编制计算软件，研究PEMFC及典型应用系统的热力特性（第一、二定律效率），深入了解PEMFC及典型应用系统性能，也为类似系统的分析提供参考。

  1. 拟达到的目的

建立PEMFC物性计算模型、能量分析、熵产分析和㶲分析计算模型及相应程序编制，深入研究一个典型PEMFC应用系统的热力性能。

  1. 研究现状

燃料电池可按照其电解质，可将燃料电池分为碱性燃料电池(AFC),磷酸型燃料电池(PAFC),质子交换膜燃料电他(PEMFC),熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC),固体氧化物燃料电池(SOFC)[9]。按电池温度对燃料电池进行分类也是一种较常用的方法， 分为低温燃料电池，即工作温度一般低于100℃，其中最典型的是质子交换膜燃料电池;中温燃料电池，工作温度一般在在 100-300℃之间，包括碱性燃料电池:和磷酸型燃料电池;而高温燃料电池工作温度一般在600-1000℃之间，其中包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。[19]PEMFC 主要由质子交换膜(PEM)、阴/阳极电催化剂层、阴/阳气体扩散层和气体流道等部件组成。其中质子交换膜(PEM)、阴/阳极电催化层、阴/阳气体扩散层合称为“膜电极”;气体流道在兼有导电作用的极板表面表面加工而成。在一定夹紧压力下，将两极板夹在膜电极两侧，构成单体燃料电池，简称“单电池”。将一定数量的单电池依次叠加，组成“电堆”。[13]质子交换膜作为膜电极的核心部分之一，与一般化学电源中使用的隔膜不同，它不仅是一种起着隔离燃料和氧化剂作用的隔膜材料，还是一种选择透过性膜， 同时也是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底叫。用于FEMFC的质子交换膜必须满足下述条件:具有高的H传导能力、一定黏性和机械强度，良好的化学与电化学稳定性、低的反应气体(如氢气、氧气)的渗透系数[11]。质子交换膜燃料电池的结构构造与工作原理：

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