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氨燃料电池发动机设计优化与电热耦合特性研究
| 论文题名： | 氨燃料电池发动机设计优化与电热耦合特性研究 |
| 关键词： | 氨燃料电池发动机;电热耦合特性;输出功率;优化设计 |
| 摘要： | “零碳”交通运输是“双碳”目标的题中应有之义，力承全国终端碳排放高达15%。氢作为一种清洁高效的二次能源，是最理想的“零碳”燃料，未来将有力支撑我国碳达峰碳中和的实现。但是，目前氢燃料还存在着无法产业化的输运难题，源于它的低体积密度、高危险性、价格昂贵等原因。氨作为“零碳”氢能载体，相较于氢，氨储运更为简单、安全和稳定，其体积载氢能力超过了液态氢。因此，氨储运可以有效解决氢气的输运难题，在能源动力方面有着巨大的潜力。相较于氨内燃机，氨燃料电池发动机在氮氧化物排放和能量转换效率方面具有巨大优势，是下一代燃料电池发动机的创新发展方向。鉴于氨催化分解反应的强吸热特性，本文率先开展了氨燃料电池发动机的设计优化与电热耦合特性研究。通过建立二维单电池模型，阐述了结构设计优化、操作条件优化以及不同燃料组分对氨燃料电池发动机电热耦合特性的影响。主要结论如下： 当阳极厚度为300μm时，功率密度最大，阳极厚度为400μm时的功率密度与之相差无几。阳极厚度的增大，电池的输出功率开始有所下降，但对电池的散热以及热量分布有一定改善作用。电解质厚度越大，氧离子传输路径越远，电池输出功率下降，产生的欧姆热增加。 使用纯氨作为燃料时，入口温度升高有利于电池的输出功率，并且电池净热量增加。当入口温度为650℃、700℃时，整个电池的低温区处于电池的尾部，当入口温度为750℃、800℃和850℃时，整个电池的低温区前移至燃料入口处。随着工作电压的降低，电池净热量增加，电池各结构平均温度有所升高。当工作温度为800℃、工作电压在0.5V左右，电池的净热量为零。随着燃料流速增加，功率密度持续增加。而当燃料流速从1.5m/s增大至2.5m/s时，功率密度的增加已经较为平缓，但同时能带走电池中更多的热量，降低了电池温度。 采用NH3∶N2?=1∶1作为燃料，当保持入口温度为800℃、电池电压0.7V左右电池的净热量为零。采用NH3∶H2?=1∶1（含水量3%）为燃料时，电池各结构的平均温度较为接近，并且当工作电压在0.5V左右，氨催化分解反应的平均速率达到一个稳定值。 |
| 作者： | 陈晨 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 林彬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 电子科技大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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