基于重整氢气的高温PEMFC系统的模拟分析

冶 麟，贾 滨，尹 燕

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

基于重整氢气的高温PEMFC系统的模拟分析

冶 麟，贾 滨，尹 燕

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

为了分析高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)系统在不同工况下的效率，模拟了一个以天然气蒸汽重整氢气为燃料的 HT-PEMFC发电系统．该系统由燃料电池堆(电堆)、甲烷蒸汽重整器(SMR)、水气反应器(WGS)、空压机、换热器、空冷器及水泵等单元组成．研究了电堆温度、系统压力、阴极化学计量数和蒸汽重整温度等参数对系统的影响，分析了整个燃料电池系统中各组成单元的能量损失、损失和功率分布情况．结果表明：随着电堆和SMR温度的升高，系统效率显著提高，而在SMR温度超过700,℃后系统效率开始下降；系统压力、阴极化学计量数和WGS温度对系统效率影响较小；在单电池电压为0.7,V时，整个系统的效率可以达到46.5%．

高温质子交换膜燃料电池；系统效率；分析；甲烷蒸汽重整；能量损失

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作为一种能量转换装置，其产物只有水，无噪声无污染，因此是公认的环境友好的发电装置之一．此外，PEMFC较其他燃料电池具有功率密度高、启动快速等优点．但是传统的低温 PEMFC (low temperature PEMFC，LT-PEMFC)存在着水管理复杂、电极催化剂的CO中毒(要求燃料气中CO摩尔分数小于 2×10-6)等问题[1-3]．最近，工作温度在100～200,℃的高温 PEMFC(high temperature PEMFC，HT-PEMFC)得到了广泛关注．由于电池内部没有液态水，不需要外部加湿，水管理变得更加简单．而CO耐受度也相对有所改善，如130,℃时要求CO的摩尔分数小于0.1%[4-5]．

由于燃料电池系统组成比较复杂，研究整个系统中各单元的参数变化以及能量分布对提高系统效率至关重要[6-11]．在对燃料电池系统进行能量分析时，分析是基于能量分布研究的方法之一[7-10]．分析从“量”和“质”两方面对能量进行研究，能更加全面地反映系统中的能量分布情况．从有关 LT-PEMFC系统分析中可知，由于温度较低，从系统中流出的热量利用价值不高，即值较低[9]，且系统散热困难[10-11].此外，由于LT-PEMFC系统对燃料中CO含量有严格的要求，导致燃料重整模块十分复杂．

目前关于HT-PEMFC系统的研究主要集中在系统模拟方面．由于系统核心单元电池堆(电堆)的模拟研究结果还比较少，导致 HT-PEMFC综合发电系统的研究仍不多见．Arsalis等[12]模拟了一套应用于家庭的HT-PEMFC系统，运用LabVIEW软件分别模拟了电堆、甲烷蒸汽重整器(steam methane reformer，SMR)、水气反应器(water gas shifter，WGS)、燃烧器和蒸发器．结果显示该系统 25%负载和全负载时的效率分别为45.4%和38.8%．Korsgaard等[13-14]研究了热电联产 HT-PEMFC系统及其控制单元．对于燃料电池发电系统，其电堆性能、系统操作条件(如压力、温度、化学计量数)与系统效率紧密相关，但目前关于上述参数变化对整个HT-PEMFC系统影响的研究相对较少，尤其从的角度对HT-PEMFC系统进行能量分析的研究鲜见报道．

本文模拟了一套 5,kW 级用于住宅发电的 HTPEMFC系统，构建了一个基于HT-PEMFC电堆的系统模型，通过模拟分析得到了不同电堆温度、系统压力、阴极化学计量数和蒸汽重整温度条件下的 HTPEMFC发电系统效率分布情况，并对系统各单元的能量分布进行了分析．这些结论对于实际的高温质子交换膜燃料电池系统设计具有一定的指导意义．

1 燃料电池系统模型

1.1 物理模型

图 1显示了整个重整氢气 HT-PEMFC系统框图，其中锅炉和 SMR整合在一起．系统中电堆由一系列单电池串联组成，其中单电池的模型采用了文献[3]中的模拟方法．图 2给出了该电池模型计算结果与文献[15]中实验值的对比[3]，可以看出此模型能够较准确地模拟电池在不同工况下的性能．

图1 HT-PEMFC系统示意Fig.1 Schematic diagram of HT-PEMFC system

图2 单电池模拟值与实验值的比较Fig.2 Comparison between single cell simulation and the experimental data

1.2 模型假设

整个系统模拟中的假设如下：系统在稳态下运行；天然气为纯甲烷；电堆中生成的热量有 20%通过自然散热扩散到环境中，其他设备没有热量损失；电堆入口冷却水为饱和水，出口为干度 10%的水气；空压机、空冷器风扇、通风机、涡轮机和水泵的效率分别为78%、70%、85%、85%和85%；所有设备的压力损失为1.52,kPa(0.015,atm)[14]．

2 计算方法

2.1 甲烷蒸汽重整模块

本文中甲烷蒸汽重整模块主要分析 SMR和WGS两个设备．在SMR计算中主要考虑下列反应：

而 WGS中的反应如式(2)所示．所有的化学反应都依据化学平衡的方法进行计算[16]．

2.2 系统计算

根据图1所示，系统的净功率和效率计算式可以表示为

式中：Wn为系统净功率；Ws、Wc、Wt、Wf、Wp和Wb分别为电堆、空压机、涡轮机、空冷器风扇、水泵和通风机所产生或消耗的功率，kW；ηs为系统效率；mCH4为甲烷的入口摩尔流量，mol/s；LHVCH4为甲烷的低热值，kJ/mol．

电堆产生的总功率为

式中：Ec为电池的电压，V；Jc为电池的电流密度，A/cm2；Ac为电池的面积，cm2；Nc为电池的个数．

系统中各设备的能量损失 El和损失 Ex,l分别为

式中：Ei、Ex,i和 Eo、Ex,o分别为流入和流出该设备的总能量和总值；Ew和 Ex,w分别为从该设备直接流向环境而浪费的能量和值，kW．

3 模型验证

由于 HT-PEMFC系统的实验研究较少，本文采用文献[12]中的结果进行对比验证．图3显示了在文献[12]的系统工作参数条件下，该文献与本研究的计算结果．可以看到，本文计算得到的效率-功率关系曲线与参照文献中的曲线有一定的系统误差(相差2%左右)，这可能是由于参照文献[12]与本文所采用的电池模型不同，其交换电流密度与磷酸含量的取值有所差异，导致电池计算功率出现一定的差别，从而影响系统效率的分布．但两者效率的变化趋势一致，这说明本文的系统模型可以较准确地反映系统效率的变化规律．由于单电池效率在接近最大功率时会急剧下降，但在功率较小时呈现较好的线性特征，所以燃料电池系统效率也会出现类似的分布[6,10-11]．参照文献[12]中的系统最大功率可达 2.2,kW，本文重点计算了常用工况下，即 1,kW 以内的效率，故得到的效率值线性度较好．为了讨论较大功率范围内的系统性能，下文对系统大功率值时的情况也做出了计算．

图3 系统模拟结果验证Fig.3 Validation of fuel cell system simulation

4 结果与讨论

表1列出了模拟整个HT-PEMFC系统时的基本参数，在改变某参数值时其他值都以表1为准．

表1 系统基本工作参数Tab.1 System basic operating parameters

4.1 电堆温度对系统效率的影响

图4为HT-PEMFC系统在不同电堆温度下的系统效率和净功率分布(输出功率)．可见，电堆温度对系统功率和效率影响很大．随着电堆温度的升高，整个系统的功率分布范围逐渐增加；在相同的净功率下，系统效率也随之提高．这主要是由于在温度升高时，电池的化学反应活性提高，电池性能得到改善．而电堆温度对系统其他设备影响较小，相应的整个系统效率也同时增加．上述3个温度由低到高时，在单电池处于常用电压 0.7,V时系统的效率分别为44.7%、46.5%和 46.8%．由于本文中该系统用于普通住宅发电，电堆温度在160,℃时即可满足设计需求．

图4 不同电堆温度下系统效率与净功率的关系Fig.4 Relationship between system efficiency and net power at different fuel cell stack temperatures

4.2 系统压力对系统效率的影响

图5为HT-PEMFC系统在不同系统压力下的效率和净功率分布，其中压力分别取常用压力101.325,kPa(1,atm)和 202.650,kPa(2,atm)，此时系统所有设备都处于相应的压力状态，其他参数见表1．

图5 不同系统压力下系统效率与净功率的关系Fig.5 Relationship between system efficiency and net power at different system pressures

从图5可知，改变系统压力对系统效率和功率的影响不明显．虽然单电池模拟结果显示在压力升高时电池性能有所提升，但对于整个系统来说，压力从101.325,kPa上升到 202.650,kPa时系统设备的功率损耗，尤其是空压机消耗的电功率明显增加，其值从0.101,kW 增加到 0.285,kW．另外从化学平衡的角度来看，高压也不利于蒸汽重整中氢气的生成．这说明增加系统压力对提高系统的综合性能作用不明显．

4.3 阴极化学计量数对系统效率的影响

图6给出了HT-PEMFC系统在阴极化学计量数(ST)分别为 2.0、3.0、5.0时系统效率及净功率的分布. 由图可见，随着阴极化学计量数的增加，系统效率和净功率都有不同程度的下降．这主要是因为在阴极反应所需空气量足够以后，提高阴极化学计量数对提高电池性能作用不大，即无法有效提高电堆总功率，却能影响系统的消耗功率．阴极化学计量数由2.0依次增加到3.0和5.0时，空压机所需最大电功率分别为 1.648,kW、2.483,kW和 4.137,kW．ST由 2.0增加到 3.0时，空压机所需的最大电功率增长了50.7%，而ST由3.0增加到5.0时，空压机所需的电功率增长了 66.6%．由此可见，增加阴极化学计量数对提高燃料电池系统性能的影响并不显著．

图6 不同阴极化学计量数下系统效率与净功率的关系Fig.6 Relationship between system efficiency and net power at different cathode stoichiometries

4.4 蒸汽重整温度对系统效率的影响

由于本文中蒸汽重整模块考虑SMR和WGS两个设备，所以对重整模块的产氢效率进行了分析，如图 7所示．其中单电池电压取 0.7,V，系统其他参数见表1．产氢效率ηH为

图7 重整温度对产氢效率的影响Fig.7 Influence of reforming temperature on hydrogen yield efficiency

从图 7中可以看到，SMR温度对产氢效率有较大的影响．随着 SMR温度的上升，产氢效率也随之大幅增加．相对于 SMR，WGS温度变化对产氢效率影响较小．这也是因为SMR中的反应为吸热反应的缘故，反应(1)、(2)、(3)温度越高，化学平衡向右移动，从整体上产出的 H2越多．同理，WGS中的反应为放热反应，所以降低反应温度可以提高产氢效率．计算结果显示在SMR温度为800,℃、WGS温度为 200,℃时，重整系统产氢效率达到最高，为79.3%．从增加蒸汽重整产氢效率的角度出发，SMR温度应尽量提高，而WGS温度则尽量降低．

图8为不同SMR和WGS温度共同影响下的HT-PEMFC系统效率分布．可以看出，相对于 WGS温度，SMR反应温度对系统效率的影响较大．随着SMR温度的升高，系统效率也随之增加并在 700,℃时达到最大值，之后开始下降．这是因为虽然升高SMR的温度可以提高蒸汽重整模块中氢气的产量，但系统所需的总燃料会有所增加．这两项因素的叠加使系统效率产生了上述分布现象．WGS温度对系统效率的影响不明显，这是因为在上述温度条件下，CO摩尔分数的变化对HT-PEMFC性能影响较小，这也同时体现了 HT-PEMFC对 CO耐受度高的特点．通过模拟分析可以看出，在SMR温度为700,℃、WGS温度为220,℃时系统效率最高(46.5%)．

图8 蒸汽重整温度对系统效率的影响Fig.8 Influence of steam reforming temperature on system efficiency

4.5 系统中各单元的能量与功率分布

图9给出了整个HT-PEMFC系统中的主要能量分布，其中图 9(c)中电堆和涡轮机为输出电功率，其他为设备所需的净电功率．此时燃料电池电压为0.4,V，即系统处于最大输出功率状态，所有设备压力为 202.650,kPa(2,atm)，其他参数见表 1．压力取202.650,kPa(2,atm)是为了更好地分析如空压机、涡轮机等设备的能量以及功率分布情况．由图 9(a)可知，空冷器中的能量损失最大，电堆生成的热量主要由这里排出；其次是SMR，这是由于SMR中因消耗电堆阳极废气及补充的天然气而产生较多热量；最后是电堆，主要由电堆自然散热导致．图9(b)中损失的分布与能量损失的分布相差较大，其中电堆损失最大，说明电堆内部的反应不可逆损失较大；其次为SMR，这是因为 SMR废气温度比较高(617,℃)，能量的“质”较高．空冷器的损失最小，这是因为温度较低(121,℃)造成的．由于空冷器的能量损失最大，所以这部分热量可以用于加热生活用水或者热电联产．在图 9(c)中，除了电堆之外，涡轮机和空压机在系统总功率中占到了近14%，而其他设备功率所占比例相对很小．如果要增大系统的净功率和效率，首先要降低空压机和涡轮机的功率损失．

图9 系统各单元能量分布Fig.9 Energy distribution of system component

5 结 论

(1) 在电堆允许工作温度范围内，升高电堆温度可以有效地提高系统效率和功率．

(2) 高于常压时，增加系统压力对系统性能无明显改善，高压时空压机消耗了大量的电功．

(3) 升高蒸汽重整器温度可以显著提高系统效率，但在超过 700,℃后效率开始下降．改变水气反应器的温度对系统效率影响较小．

［1］ Li X. Principles of Fuel Cells[M]. New York：Taylorand Francis，2006.

［2］ O'Hayre R，Cha S W，Colella W，et al. Fuel Cell Fundamentals[M]. England：John Wiley and Sons，2009.

［3］ Jiao Kui，Alaefour Ibrahim E，Li Xianguo. Threedimensional non-isothermal modeling of carbon monoxide poisoning in high temperature proton exchange membrane fuel cells with phosphoric acid doped polybenzimidazole membranes[J]. Fuel，2011，90(2)：568-582.

［4］ Zhang Jianlu，Xie Zhong，Zhang Jiujun，et al. High temperature PEM fuel cells[J]. Journal of Power Sources，2006，160(2)：872-891.

［5］ Chandan A，Hattenberger M，El-kharouf A，et al. High temperature(HT)polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC)：A review[J]. Journal of Power Sources，2013，231(1)：264-278.

［6］ Mert S O，Dincer I，Ozcelik Z. Exergoeconomic analysis of a vehicular PEM fuel cell system[J]. Journal of Power Sources，2007，165(1)：244-252.

［7］ Obara S，Tanno I. Exergy analysis of a regionaldistributed PEM fuel cell system[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(9)：2300-2310.

［8］ Delsman E R，Uju C U，Croon M H J M，et al. Exergy analysis of an integrated fuel processor and fuel cell(FPFC)system[J]. Energy，2006，31(15)：3300-3309.

［9］ Song Shuqin，Douvartzides S，Tsiakaras P. Exergy analysis of an ethanol fuelled proton exchange membrane(PEM)fuel cell system for automobile applications[J]. Journal of Power Sources，2005，145(2)：502-514.

［10］ Hussain M M，Baschuk J J，Li X，et al. Thermodynamic analysis of a PEM fuel cell power system[J]. International Journal of Thermal Sciences，2005，44(9)：903-911.

［11］ Ahluwalia Rajesh K，Wang Xiaohua. Fuel cell systems for transportation：Status and trends[J]. Journal of Power Sources，2008，177(1)：167-176.

［12］ Arsalis A，Nielsen M P，Kær S K. Modeling and offdesign performance of a 1 kWe HT-PEMFC(high temperature-proton exchange membrane fuel cell)-based residential micro-CHP(combined-heat-and-power) system for Danish single-family households[J]. Energy，2011，36(2)：993-1002.

［13］ Korsgaard A R，Nielsen M P，Kær S K. Part one：A novel model of HTPEM-based micro-combined heat and power fuel cell system[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(7)：1909-1920.

［14］ Korsgaard A R，Nielsen M P，Kær S K. Part two：Control of a novel HTPEM-based micro combined heat and power fuel cell system[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(7)：1921-1931.

［15］ Li Qingfeng，He Ronghuan，Gao Ji-An，et al. The CO poisoning effect in PEMFCs operational at temperatures up to 200,℃[J]. Journal of the Electrochemical Society，2003，150(12)：A1599-A1605.

［16］ 朱自强，吴有庭. 化工热力学[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

Zhu Ziqiang，Wu Youting. Chemical Engineering Thermodynamics[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2010(in Chinese).

(责任编辑：金顺爱)

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.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB215500)；天津市自然科学基金资助项目(11JCZDJC23500，11JCYBJC07400).

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

尹 燕，yanyin@tju.edu.cn.

时间：2014-01-03.

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