基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统集成分析与优化
发布时间：2021-03-04 00:17
化石能源的过度开发及其引起的环境问题日益凸显,人类的生存面临极大挑战。改变能源利用模式,提高能源利用效率,开发可再生能源是解决能源与环境问题的重要途径。针对常规的基于燃料电池冷热电联供系统存在的燃料成本高,能源利用率低,评价手段单一等问题,本文提出基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统,并采用综合评价方法对基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统在热力、经济和环境方面的价值进行评估。引入进化算法作为优化工具,优化系统各方面指标,为联供系统的优化研究提供了新方法,本文主要研究内容:首先,对基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统进行热力学研究。根据热力学第一和第二定律,建立冷热电联供系统热力学评价标准。借助参数分析方法,讨论主要操作参数对冷热电联供系统的热力学性能（电功率,效率,一次能源节省率等）的影响并进行分析。结果表明高地热温度有利于提高系统的总电功率,热功率,制冷量和一次能源利用率;提高水醇比也可以增加热功率,制冷量,系统效率和?效率。另外,输出总电力随着燃料电池-燃气轮机功率比的变化而波动,当功率比为1.0时,系统可以达到最大输出功率。其次,研究了基于甲醇重整制氢的PEM...
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池基本工作原理[16]
湖南理工学院硕士学位论文第2章PEMFC冷热电联供系统数学模型9图2-1基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统结构示意图2.2系统建模2.2.1质子交换膜燃料电池燃料电池是一个非常复杂的系统，涉及热力学、电化学、传热和传质等。所提出的热力学模型基于以下假设：（1）氢气纯度为100％，并在燃料电池中完全反应。假定空气中含21％的氧气和79％的氮气。（2）电池堆中气体的浓度和温度是均匀的。（3）氢气和空气的进口气体温度一致，并设置为恒定的358K。（4）堆的工作条件与单个燃料电池一致。（5）电堆的热量损失可以忽略不计。燃料电池堆模型是基于文献[34-36]所构建的。空气和氢气分别供应到质子交换膜燃料电池的阴极和阳极侧。借助于催化剂层，氢气分裂成质子和电子。质子穿过膜渗透并到达阴极，而电子在到达阴极之前经过负载电路。质子，电子以及氧分子在阴极产生水和废热。化学反应可以给出如下：(2-1)
湖南理工学院硕士学位论文第2章PEMFC冷热电联供系统数学模型12表2-3甲醇和蒸汽重整子系统的模拟参数参数/组件（单位）数值混合器无压降计量泵等熵/机械效率：0.87[37]/0.98热交换器(bar)压降:0.2过热器(bar)压降:0.2重整器(bar)压降:0.3冷却器(bar)压降:0.2分离器(bar)压降:0.2PSA(bar)压降:0.5甲醇流入流速(kg/h)4地热水温度(K)423-473水醇比0.5-2.02.2.3溴化锂吸收式制冷机溴化锂（LiBr）吸收式制冷机凭借其节能效果好，经济性高的优点在冷热电联供系统中得到广泛应用[42-46]。溴化锂制冷机可以利用余热进行制冷，根据热源温度的不同，选取的溴化锂制冷机类型也不同[47-51]。由于该冷热电联供系统采用的是工作温度为368K的PEMFC电堆，产生的余热温度低于358K，因此采用单效溴化锂制冷机作为系统制冷装置。如图2-2所示，单效溴化锂制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器四个部件组成。工作原理为LiBr溶液在高温发生器中被热源水加热，分离成LiBr浓溶液和制冷蒸汽。制冷蒸汽在冷凝器中冷凝成液态制冷剂，然后流入蒸发器。在蒸发器中，液态制冷剂吸收来自冷冻水的热量，并蒸发成蒸汽，最后在吸收器中被LiBr浓溶液吸收。稀释后的LiBr溶液又被泵入发生器进入下一个循环。表2-4为制冷机的参数。图2-2单效溴化锂制冷机
本文编号：3062208
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池基本工作原理[16]
湖南理工学院硕士学位论文第2章PEMFC冷热电联供系统数学模型9图2-1基于甲醇重整制氢的PEMFC冷热电联供系统结构示意图2.2系统建模2.2.1质子交换膜燃料电池燃料电池是一个非常复杂的系统，涉及热力学、电化学、传热和传质等。所提出的热力学模型基于以下假设：（1）氢气纯度为100％，并在燃料电池中完全反应。假定空气中含21％的氧气和79％的氮气。（2）电池堆中气体的浓度和温度是均匀的。（3）氢气和空气的进口气体温度一致，并设置为恒定的358K。（4）堆的工作条件与单个燃料电池一致。（5）电堆的热量损失可以忽略不计。燃料电池堆模型是基于文献[34-36]所构建的。空气和氢气分别供应到质子交换膜燃料电池的阴极和阳极侧。借助于催化剂层，氢气分裂成质子和电子。质子穿过膜渗透并到达阴极，而电子在到达阴极之前经过负载电路。质子，电子以及氧分子在阴极产生水和废热。化学反应可以给出如下：(2-1)
湖南理工学院硕士学位论文第2章PEMFC冷热电联供系统数学模型12表2-3甲醇和蒸汽重整子系统的模拟参数参数/组件（单位）数值混合器无压降计量泵等熵/机械效率：0.87[37]/0.98热交换器(bar)压降:0.2过热器(bar)压降:0.2重整器(bar)压降:0.3冷却器(bar)压降:0.2分离器(bar)压降:0.2PSA(bar)压降:0.5甲醇流入流速(kg/h)4地热水温度(K)423-473水醇比0.5-2.02.2.3溴化锂吸收式制冷机溴化锂（LiBr）吸收式制冷机凭借其节能效果好，经济性高的优点在冷热电联供系统中得到广泛应用[42-46]。溴化锂制冷机可以利用余热进行制冷，根据热源温度的不同，选取的溴化锂制冷机类型也不同[47-51]。由于该冷热电联供系统采用的是工作温度为368K的PEMFC电堆，产生的余热温度低于358K，因此采用单效溴化锂制冷机作为系统制冷装置。如图2-2所示，单效溴化锂制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器四个部件组成。工作原理为LiBr溶液在高温发生器中被热源水加热，分离成LiBr浓溶液和制冷蒸汽。制冷蒸汽在冷凝器中冷凝成液态制冷剂，然后流入蒸发器。在蒸发器中，液态制冷剂吸收来自冷冻水的热量，并蒸发成蒸汽，最后在吸收器中被LiBr浓溶液吸收。稀释后的LiBr溶液又被泵入发生器进入下一个循环。表2-4为制冷机的参数。图2-2单效溴化锂制冷机
本文编号：3062208
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