Was sind die aktuellen Mainstream-Richtungen der Brennstoffzellenforschung? Haben Karbonat-Brennstoffzellen eine Zukunft? -Lithium-Ionen-Batterie-Ausrüstung
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie (Kraftstoff) direkt in elektrische Energie um. Sie haben die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads und einer geringen Umweltverschmutzung. In den letzten Jahren haben sie von allen Seiten große Aufmerksamkeit erhalten. Geschmolzene Karbonat-Brennstoffzellen (MCFC) arbeiten bei hohen Temperaturen (ca. 650 °C) und können Abwärme und Gasturbinen zur Stromerzeugung nutzen. Daher haben sie einen höheren Wirkungsgrad und gehören zu den Mainstreams der aktuellen Brennstoffzellenforschung.
In der Vergangenheit wurden viele Erfolge in der MCFC-Brennstoffzellenforschung erzielt, darunter das 2,85-MW-MCFC-Demonstrationsprojekt von Proect, das 15-kW-MCFC, das von der Shanghai Jiao Tong University erfolgreich erforscht wurde, und das 100-kW-MCFC, das derzeit untersucht wird. Trotzdem gibt es als neue Generation von Energiesystemen viele Aspekte des Funktionsmechanismus von Brennstoffzellen, sei es der elektrochemische Reaktionsprozess, der Wärmemassenübertragungsprozess, der Strömungsprozess von Oxidationsmittel und Kraftstoff in der Batterie oder der stationäre Zustand der Brennstoffzelle. und dynamische Eigenschaften müssen weiter untersucht werden. Nur auf der Grundlage der Beherrschung der Regeln können diese Prozesse gut organisiert werden, so dass Brennstoffzellen wirklich zu einem effizienten und sauberen Energiesystem werden können. (Lithium-Ionen-Batterie-Ausrüstung)
Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von MCFC-Batterien. Die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften ist nicht nur notwendig, um die Temperaturverteilung, den Strömungszustand und die Leistungsänderungsregeln der Brennstoffzelle selbst aufzudecken, sondern liefert auch wesentliche Basisdaten für das Hybridsystem, das durch die Kombination von Brennstoffzelle und Gasturbine gebildet wird. Viele physikalische Parameter des MCFC-Modells, die in diesem Artikel untersucht werden, wurden aus der 15-kW-Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle des Fuel Power Cell Research Institute der Shanghai Jiao Tong University gewonnen.
Die internen Eigenschaften von MCFC-Brennstoffzellen aus monomerem geschmolzenem Karbonat sind im Allgemeinen flach und bestehen aus Elektroden-Elektrolyten, Kraftstoff-Strömungskanälen, Oxidationsmittel-Strömungskanälen und oberen und unteren Separatoren, siehe.
Der Arbeitsprozess der Brennstoffzelle sieht folgendermaßen aus: H2 im Brennstoffstrom durchläuft eine Oxidationsreaktion in der Anode und verwendet C3--Ionen im Elektrolyten, um H2O und C2 zu erzeugen, wobei Elektronen freigesetzt werden: +2e, O2 im Oxidationsmittelfluss in der Kathode (Kathode) Und CO2 verwendet und fängt Elektronen ein, um CO3- in den Elektrolyten zu erzeugen: (1/2) O2+CO2+2eCO3-, dann CO32- diffundiert frei zur Anode des Brennstoffstroms, wobei die keimenden Elektronen des verbrauchten CO3' wieder aufgefüllt werden Die keimenden Elektronen der Anode passieren den externen Schaltkreis ICathode und bilden so eine vollständige Schleife einschließlich Elektronentransport und Ionenbewegung. Die Intensität der elektrochemischen Reaktion kann durch die Anzahl der Mole der an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Substanzen pro Flächeneinheit auf dem Elektrodenplatten-Elektrolyten pro Zeiteinheit ausgedrückt werden, d. h. durch die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit. Es ist zu erkennen, dass der elektrochemische Reaktionsprozess von einem starken Stoffaustauschprozess begleitet wird. Der obige Arbeitsprozess hat die Fließrichtung von O2, CO2, CO3- und H2O erklärt. Für jede 2 g Substanzen (Ma), die im Kraftstoffstrom verbraucht werden, gelangen 60 g (1/2O2 und CO2) Substanzen von der Oxidationsmittelseite in die Elektrode, um CO3- zu bilden, den Elektrolyten zu passieren und in den Kraftstoffstrom zu gelangen, um zu CO2 und H2O zu werden. Dieser starke Einfluss von Massenprozessen auf die internen thermodynamischen Eigenschaften von Brennstoffzellen ist erheblich. Die Stoffübergangsintensität kann durch die Stoffaustauschrate ausgedrückt werden. Die Kombination von Wärmeerzeugungs- und -übertragungsprozessen in der Brennstoffzelle lässt sich wie folgt zerlegen. Die im Inneren der Batterie erzeugte Wärme umfasst die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme und die durch den Strom erzeugte Widerstandswärme. Die Wärme der elektrochemischen Reaktion ist hauptsächlich die Wärme der Bildung von Wasser, und die Wärme der elektrochemischen Reaktion pro Flächeneinheit ist /mol; DS ist die Entropieänderung des erzeugten Wassers, /(mol. K); 7; ist die gleichmäßige Temperatur des Elektrodenplatten-Elektrolyten, K. Einheit Die durch den Flächenstrom erzeugte Widerstandswärme ist nicht nur die elektrochemische Reaktionswärme und Widerstandswärme, sondern auch die Wärme, die durch den Brennstoffstrom und den Oxidationsmittelstrom in die Brennstoffzelle ein- und ausgeführt wird. Im nächsten Abschnitt werden Wärme- und Massenbilanzgleichungen aufgestellt, um ein mathematisches Modell des dynamischen Prozesses der Brennstoffzelle zu erstellen.
Schematische Darstellung des chemischen Modells des dynamischen MCFC-Prozesses 3.1 Überblick Die Möglichkeiten der Wärmeenergieübertragung innerhalb der Brennstoffzelle sind: Wärmeübertragung durch Stoffaustausch Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchflusszähler Elektrode-Elektrolyt- und Separator-Wechselwirkung Konvektions-Wärmeübertragungselektrode-Strahlungs-Wärmeübertragung zwischen Elektrolyt und Abscheider usw.
In der Vergangenheit wurden viele Erfolge in der MCFC-Brennstoffzellenforschung erzielt, darunter das 2,85-MW-MCFC-Demonstrationsprojekt von Proect, das 15-kW-MCFC, das von der Shanghai Jiao Tong University erfolgreich erforscht wurde, und das 100-kW-MCFC, das derzeit untersucht wird. Trotzdem gibt es als neue Generation von Energiesystemen viele Aspekte des Funktionsmechanismus von Brennstoffzellen, sei es der elektrochemische Reaktionsprozess, der Wärmemassenübertragungsprozess, der Strömungsprozess von Oxidationsmittel und Kraftstoff in der Batterie oder der stationäre Zustand der Brennstoffzelle. und dynamische Eigenschaften müssen weiter untersucht werden. Nur auf der Grundlage der Beherrschung der Regeln können diese Prozesse gut organisiert werden, so dass Brennstoffzellen wirklich zu einem effizienten und sauberen Energiesystem werden können. (Lithium-Ionen-Batterie-Ausrüstung)
Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von MCFC-Batterien. Die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften ist nicht nur notwendig, um die Temperaturverteilung, den Strömungszustand und die Leistungsänderungsregeln der Brennstoffzelle selbst aufzudecken, sondern liefert auch wesentliche Basisdaten für das Hybridsystem, das durch die Kombination von Brennstoffzelle und Gasturbine gebildet wird. Viele physikalische Parameter des MCFC-Modells, die in diesem Artikel untersucht werden, wurden aus der 15-kW-Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle des Fuel Power Cell Research Institute der Shanghai Jiao Tong University gewonnen.
Die internen Eigenschaften von MCFC-Brennstoffzellen aus monomerem geschmolzenem Karbonat sind im Allgemeinen flach und bestehen aus Elektroden-Elektrolyten, Kraftstoff-Strömungskanälen, Oxidationsmittel-Strömungskanälen und oberen und unteren Separatoren, siehe.
Der Arbeitsprozess der Brennstoffzelle sieht folgendermaßen aus: H2 im Brennstoffstrom durchläuft eine Oxidationsreaktion in der Anode und verwendet C3--Ionen im Elektrolyten, um H2O und C2 zu erzeugen, wobei Elektronen freigesetzt werden: +2e, O2 im Oxidationsmittelfluss in der Kathode (Kathode) Und CO2 verwendet und fängt Elektronen ein, um CO3- in den Elektrolyten zu erzeugen: (1/2) O2+CO2+2eCO3-, dann CO32- diffundiert frei zur Anode des Brennstoffstroms, wobei die keimenden Elektronen des verbrauchten CO3' wieder aufgefüllt werden Die keimenden Elektronen der Anode passieren den externen Schaltkreis ICathode und bilden so eine vollständige Schleife einschließlich Elektronentransport und Ionenbewegung. Die Intensität der elektrochemischen Reaktion kann durch die Anzahl der Mole der an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Substanzen pro Flächeneinheit auf dem Elektrodenplatten-Elektrolyten pro Zeiteinheit ausgedrückt werden, d. h. durch die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit. Es ist zu erkennen, dass der elektrochemische Reaktionsprozess von einem starken Stoffaustauschprozess begleitet wird. Der obige Arbeitsprozess hat die Fließrichtung von O2, CO2, CO3- und H2O erklärt. Für jede 2 g Substanzen (Ma), die im Kraftstoffstrom verbraucht werden, gelangen 60 g (1/2O2 und CO2) Substanzen von der Oxidationsmittelseite in die Elektrode, um CO3- zu bilden, den Elektrolyten zu passieren und in den Kraftstoffstrom zu gelangen, um zu CO2 und H2O zu werden. Dieser starke Einfluss von Massenprozessen auf die internen thermodynamischen Eigenschaften von Brennstoffzellen ist erheblich. Die Stoffübergangsintensität kann durch die Stoffaustauschrate ausgedrückt werden. Die Kombination von Wärmeerzeugungs- und -übertragungsprozessen in der Brennstoffzelle lässt sich wie folgt zerlegen. Die im Inneren der Batterie erzeugte Wärme umfasst die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme und die durch den Strom erzeugte Widerstandswärme. Die Wärme der elektrochemischen Reaktion ist hauptsächlich die Wärme der Bildung von Wasser, und die Wärme der elektrochemischen Reaktion pro Flächeneinheit ist /mol; DS ist die Entropieänderung des erzeugten Wassers, /(mol. K); 7; ist die gleichmäßige Temperatur des Elektrodenplatten-Elektrolyten, K. Einheit Die durch den Flächenstrom erzeugte Widerstandswärme ist nicht nur die elektrochemische Reaktionswärme und Widerstandswärme, sondern auch die Wärme, die durch den Brennstoffstrom und den Oxidationsmittelstrom in die Brennstoffzelle ein- und ausgeführt wird. Im nächsten Abschnitt werden Wärme- und Massenbilanzgleichungen aufgestellt, um ein mathematisches Modell des dynamischen Prozesses der Brennstoffzelle zu erstellen.
Schematische Darstellung des chemischen Modells des dynamischen MCFC-Prozesses 3.1 Überblick Die Möglichkeiten der Wärmeenergieübertragung innerhalb der Brennstoffzelle sind: Wärmeübertragung durch Stoffaustausch Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchflusszähler Elektrode-Elektrolyt- und Separator-Wechselwirkung Konvektions-Wärmeübertragungselektrode-Strahlungs-Wärmeübertragung zwischen Elektrolyt und Abscheider usw.
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