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裝有燃料處理器的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的動(dòng)態(tài)建模

建立了裝有燃料處理器的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的動(dòng)態(tài)模型，分析了其動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)模型建立在典型的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上，包括燃料處理系統(tǒng)（包括自熱重整反應(yīng)器ATR和水汽轉(zhuǎn)移反應(yīng)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(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入燃料處理系統(tǒng)，經(jīng)過重整、凈化產(chǎn)生反應(yīng)物，并與預(yù)熱空氣進(jìn)入電池反應(yīng)堆，產(chǎn)生電能，廢氣經(jīng)過廢氣燃燒器處理。廢氣處理器連接加濕器。此動(dòng)態(tài)模型能夠很好體現(xiàn)出整體系統(tǒng)及每個(gè)系統(tǒng)模塊的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。

單位燃料電池模型簡化成準(zhǔn)三維幾何結(jié)構(gòu)，能夠快速預(yù)測出燃料電池特性分布。各種運(yùn)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(jìn)行仿真驗(yàn)證，且研究不同值對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作行為的影響。仿真結(jié)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(huì)出現(xiàn)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(tǒng)效率降低；較高的O/C會(huì)產(chǎn)生不必要的氧化反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量影響燃料電池氣體處理效率和發(fā)電效率，且會(huì)降低熱交換器產(chǎn)生的回收能量；低的含氧量會(huì)降低廢氣燃燒器中產(chǎn)生的熱量。

此動(dòng)態(tài)模型能夠有效地預(yù)測動(dòng)態(tài)電流需求過程中反應(yīng)堆電壓。在燃料利用率恒定下，電效率會(huì)降低，實(shí)際電流無法跟隨目標(biāo)電流。為此，提出并應(yīng)用一種效率控制器，確定瞬態(tài)反應(yīng)過程中最優(yōu)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