基于质子交换膜燃料电池的微型天然气热电联产研发进展

基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的微型天然气热电联产系统有着广阔的市场发展前景。这种系统将千瓦级天然气制氢、燃料电池发电及余热利用有机的结合在一起,可以将天然气的一部分高品质的化学能通过氢气这个中间介质转化为电能,其余的低品位的能量用于采暖及生活热水供应,可有效提高系统的可用能利用程度,实现天然气这种清洁能源的"温度对口、梯级利用"。介绍了微型燃料电池热电联产系统的技术路线,并对国内外微型制氢技术的研发及热电联产系统的产业化状况进行了介绍和分析。     

质子交换膜燃料电池系统低温启动技术研究进展

质子交换膜燃料电池电动汽车具有绿色环保、续航里程长等优点,但在温度较低的环境下存在启动困难甚至失败的问题,这一问题严重制约了质子交换膜燃料电池电动汽车的发展。研究调查了质子交换膜内部结冰的原理,简述了0℃以下低温环境下启动过程对质子交换膜本身、催化层、气体扩散层以及膜电极整体带来不同程度的损伤,重点分析了质子交换膜燃料电池电动汽车低温启动的策略,可大致分为三类：停机吹扫的控制策略、外部辅助加热和无辅助加热。分析表明每种方法都有其各自的优点与缺点,但总的来说单一的启动方法对质子交换膜燃料电池电动汽车低温启动的效果不如多种方法混合使用的效果理想,未来燃料电池电动汽车的低温启动技术将会朝着多种方法共同协助的趋势发展。     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极研究进展

质子交换膜燃料电池的发展和应用是促进现代生活方式低碳环保化的最重要路径之一。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,实现膜电极结构的有序化是同时满足低铂载量和高电化学性能要求的关键。本文系统总结和分析了最近有关有序化膜电极的相关研究进展。与发展较为缓慢的质子导体有序化相比,以催化剂有序化和催化剂载体有序化为路径实现的有序化膜电极结构优化已经得到快速发展,对于促进质子交换膜燃料电池规模化应用表现出极大的发展潜力。     

质子交换膜燃料电池膜电极制备方法的研究进展

燃料电池技术作为一种绿色能源技术,在减少能源消耗、环境污染等方面具有巨大潜力。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件,MEA中电化学反应的顺利进行需要各功能层的协调配合,MEA各功能层涉及的传质、导电、导质子、催化等方面均影响燃料电池的性能。根据制备方法,可以将MEA分为催化剂涂敷基底（CCS）型MEA、催化剂涂敷膜（CCM）型MEA、有序化MEA和一体化MEA。MEA的性能不仅由催化剂本身载量决定,也受其结构设计和制备工艺的影响。本文介绍了MEA制备过程中常见的改进方法,分别从催化剂喷涂、刮涂、模槽挤出涂覆方式,催化剂浆料组成中Nafion含量和溶剂极性选择,催化层梯度化、图案化及界面结构改进,PEM结构增强、图案化、成膜方式等方面的研究进展进行讨论。但是目前对于MEA各功能层界面间的研究较少,应该注意的是催化层/质子交换膜（PEM）界面以及催化层/气体扩散层（GDL）界面设计也将直接影响MEA的性能。     

燃料电池质子交换膜研究进展

质子交换膜作为燃料电池的关键材料之一,得到世界各国学者的广泛关注和深入研究,已先后研发出含氟高分子类、芳香烃聚合物类以及有机/无机杂化材料的质子交换膜.本文对燃料电池工作原理进行简要概述,并针对质子交换膜的应用前景及研究现状进行分析.     

建筑冷热电联产系统的自动控制与控制策略分析

建筑冷热电联产系统（BCHP）为建筑用能提供冷、热、电,是一种高效能源利用方式。由于系统所涉及的设备多,且由于季节的差别,不同用户的差别,导致了系统运行的复杂性,因此采用集散控制系统是非常必要的。本文结合一个工程实例,完成了一个基于现场可编程序控制器和上位控制计算机,并进行了建筑冷热电联产系统的控制策略分析,实现了整个系统的自动优化控制。     

质子交换膜燃料电池可视化研究进展

质子交换膜燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池)内的两相流动以及相应的水管理、气管理对燃料电池的性能和寿命有很大的影响,而可视化方法是研究流场槽道内两相流动非常重要的方法之一。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在流场槽道内的生成以及发展过程,有利于了解其进化机制,从而进一步优化气管理、水管理并提高电池性能。本文主要综述了质子交换膜燃料电池两极流场内两相流动的可视化研究进展,讨论了扩散层的润湿性以及扩散层内水的传递机理,还介绍了实现可视化的方法,并提出了可视化研究的不足及发展方向。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置。质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂,为降低成本,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一。对PEMFC电极的工作原理,关键组件及电池的水管理、热管理方法等作了综述。     

圆柱形质子交换膜燃料电池的研究

目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)多为平板型板框式结构,介绍了一种圆柱形新型结构的质子交换膜燃料电池。制备了外径6 mm,壁厚为1 mm的微型阳极圆管,采用涂覆法制备阳极微孔层和阴阳极的催化层,热滚压法制作膜电极(MEA),并解决了气体进出、密封与电极的引出等方面问题。应用三维软件进行结构设计,并用模拟分析软件ANSYS进行热和静力分析,最后组装成圆柱形质子交换膜燃料电池。当氢气压力为0.2 MPa、常温常压下工作时,开路电压为0.8 V,功率密度可达到8.3 mW/cm2。     

质子交换膜燃料电池关键技术研究进展

简述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及特点;综述了PEMFC关键技术的最新研究进展,包括质子交换膜合成、电催化剂制备、膜电极工艺及水管理和热控制;并简介了我国PEMFC的开发情况。     

天然气冷热电三联供系统热力学分析

天然气先经过燃气轮发电机发电,然后利用燃气轮机排出的高温烟气推动吸收式制冷机制冷,最后利用换热器回收中温烟气中的余热加热生活热水,这种冷热电三联供方式能够显著地提高能源的利用效率。构建了天然气为燃料冷热电三联供系统典型的模型图和能流图,导出了系统各环节能量和的计算公式、三联供系统的总能量和利用率以及各部位的损失;基于能源产品的市场价格,给出了三联供系统的经济收益。以现有技术设备和典型操作工况为基础,分析讨论了环境温度以及燃气轮发电机和制冷机出口烟气温度对供冷、供热、能量利用率、利用率以及经济收益的影响。结果表明,环境和烟气的温度对系统的性能和收益都有一定的影响。     

微燃机冷热电三联供系统运行策略优化分析

用单纯形法对冷热电三联供系统用于办公楼宇时冬夏季典型日负荷下的运行策略进行优化, 优化目标分别为系统的一次能源消耗量最小、运行成本最小和二氧化碳排放量最小, 并对冷热电联产系统和分产系统进行了比较。结果表明:不同优化目标下, 系统的运行策略不同。冬季工况下, 以一次能源消耗量最小为优化目标时, 系统多采用以热定电的运行模式;在以运行成本最小或以二氧化碳排放量最小为优化目标时, 系统全天采用以电定热的运行模式;以三者加权最小为优化目标时, 系统多采用以热定电的运行模式。夏季工况下, 以一次能源消耗量最小为优化目标时, 分产系统的运行策略要优于联产系统;在以运行成本最小或以二氧化碳排放量最小为优化目标时, 系统全天采用以电定热的运行模式;以三者加权最小为优化目标时, 系统多采用以热定电的运行模式。     

冷热电联供系统设计和运行集成优化

冷热电联供是提高能源综合利用效率的有效途径;其系统设计与运行策略通常相互耦合;因此实施联供系统的集成优化至关重要。本文同时考虑全生命周期内的投资与运行成本;提出以年度总成本最小化为优化目标;结合联供系统中燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机等设备特性方程;以及针对以电定热、以热定电和混合热电三类典型运行策略;设置了冷、热和电三种负荷需求能量平衡方程;最终构建了包含固定电/热效率和动态电/热效率的联供系统设计与运行集成优化模型。所提方法应用于典型商业楼宇的冷热电联供系统优化设计;结果表明;只有通过综合运用混合热电运行策略、动态电/热效率和全年负荷特性数据;才有望获得合理可行的最优设计方案。     

Efficient Generation of Electricity from Methane using High Temperature Fuel Cells – Status,Challenges and Prospects

High temperature fuel cells (HTFCs), comprising solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells, present efficient means for generating electricity from methane and natural gas. The high quality heat generated by HTFCs allows operation in the combined heat and power mode (CHP) to further enhance efficiency. The overall fuel-to-electricity conversion efficiency of an HTFC system operating in CHP mode can approach up to 80 %. Despite the high operating efficiency of HTFCs, high capital costs and durability issues have hindered their widespread commercialization. This article provides an overview of the operating principles, technical challenges, commercialization status of HTFCs, and outlines the strategies being adopted to lower capital costs and increase durability.     

可再生能源电解水制氢-低温低压合成氨万吨级工业示范流程设计

氢能是目前最具前景的清洁能源之一,通过可再生能源电解水制氢可以实现绿氢生产,但氢气的高效储存和运输难度较大。氨是高效的储氢材料,但合成氨所需高温高压的反应条件致使过程能耗较高,因此发展可再生能源电解水制氢-低温低压合成氨工艺对于能源绿色转型和企业低碳发展具有重要意义。基于Aspen Plus流程模拟软件,设计开发了可再生能源电解水制氢-低温低压合成氨工艺流程,并结合合成氨工业示范企业的生产条件,合理设计万吨级合成氨示范生产工艺。采用光伏发电联合电网为碱性电解水制氢装置供电,在85℃、1.6MPa下生产1000 m³/h（标准工况）纯度为99.999%的氢气。为了满足万吨级合成氨需求,进一步结合示范企业现有氮气和氢氮混合气共同进料,在400℃、7 MPa下反应生成氨,经氨冷分离得到纯度为99.9%的液氨产品。此外,对耗能较高的合成氨工艺进行四次换热设计,节省能耗。本研究为可再生能源电解水制氢-低温低压合成氨的工业示范提供参考。     

燃料电池的发展趋势

介绍了燃料电池的工作原理、优缺点;同时以燃料电池应用为背景,综述不同类型的燃料电池如车用质子交换膜燃料电池、航天飞行器用再生燃料电池、小型便携式产品用直接甲醇燃料电池、中小型电站用固体氧化物燃料电池(SOFC)、微生物燃料电池(MFC)的技术发展现状与研究热点,并指出了未来燃料电池的发展趋势.     

1kW SOFC-CHP系统用催化燃烧耦合蒸汽重整反应器的实验研究

针对1 kW 固体氧化物燃料电池热电联供(SOFC-CHP)系统开发了集成催化燃烧、换热及蒸汽重整的反应器,搭建了性能评价系统,系统研究了燃烧侧气体组分及工艺参数对该反应器性能的影响规律。实验结果表明:在反应器燃烧侧气体入口温度为300℃、空燃比为10:1、电堆燃料利用率为65%、水碳比为3 的条件下,重整侧转化率达到73.6%,重整尾气中H₂ 含量为67.5%。电堆燃料利用率对重整反应转化效率影响较大,其值大于80%时,采用尾气燃烧的余热回收方式无法有效为蒸汽重整提供所需热量。在150~350℃范围内,降低燃烧侧气体入口温度对重整反应效率影响较小,建议采用尾气先换热再进行催化燃烧的流程设计,保证重整效率的前提下可有效提升系统热效率。空燃比的降低可小幅度提升重整效率,在保证电堆反应温度稳定的前提下,适当降低空燃比可减少空气压缩机的功耗,从而提升整个系统的效率。研究成果对SOFC-CHP 系统的优化和整体效率提升具有指导意义。     

微型分布式冷热电联产系统的热力过程综合优化

运用热力过程分析理论,对微型分布式冷热电联产系统的户式示范工程的典型工况进行热力过程分析。其中的夹点分析（PA）理论对系统中的换热网络（HEN）进行了最优化的改进设计,换热网络的改进能实现最小公用事业这一能量目标以及相应的经济目标。在夹点分析的基础上,进一步运用分析,对微型冷热电联产系统的能量梯级利用原理展开讨论,并结合热机与热泵的热力学特性,得出它们在换热网络系统中最佳的设置方法。通过热力过程最优分析及其再设计,改进后的分布式冷热电联产系统获得了更佳的热力学性能与经济效益。     

化工系统消纳可再生能源的电-氢协调储能系统优化设计

针对可再生能源发电间歇性和波动性与化工过程系统氢气需求波动性协调匹配的问题,本文以电-氢储能系统总费用最小为目标,建立了可再生能源发电与化工生产中加氢系统耦合的电-氢协调储能系统优化设计模型,以确定电-氢协调储能系统的最优容量配置和功率调度方案。采用典型案例研究了可再生能源渗透率和电-氢储能系统构成对电-氢储能优化设计和运行特性的影响。研究表明:当化工系统的氢气需求全部由可再生能源发电制氢提供时,在系统中同时采用电池和氢气储罐储能可有效地降低系统的总费用;在该系统中,电池可用于平抑短期内发电侧和负荷侧的波动,氢气储罐可平衡发电侧和负荷侧长期的不匹配;随着可再生能源渗透率的增加,系统的总费用显著增大;为了维持外购氢气流率的稳定,系统中需要增加电解槽和储能系统的容量以解决发电侧和负荷侧的波动和不匹配问题。