化学链制氢与固体氧化物燃料电池互补机理与方法研究

The project will study the integration mechanism and characteristics of the systems combined with chemical looping hydrogen production and the SOFC for different tastes with a combination of efficient use of energy characteristics. Based on chemical and physical energy cascade utilization of comprehensive principles and methods, this project will combine with exergy analysis and energy level to explore the process of different energy conversion mechanism of the new principle, revealing the CO2 capture penalty. Through the integration and optimization of the new process, and the critical process of experimental research on chemical looping hydrogen production and the SOFC, this project will propose several new systems with high efficiency of electricity production with CO2 capture.

本项目从热力学与化学学科交叉层面，将化学链制氢与固体氧化物燃料电池（SOFC）进行互补结合。化学链制氢提供SOFC所需的燃料（氢气），同时化学链制氢的还原反应吸收SOFC的余热，从物质和能量两个层面实现了互补。在机理方面，建立新互补系统的热力学模型。基于化学能与物理能综合梯级利用原理和方法，结合㶲分析法和能的品位概念，探索互补系统的能量转化机理，揭示化学链制氢过程中低能耗CO2分离的规律。利用Simulink等软件对SOFC进行数值模拟，得到影响互补系统性能的关键参数。通过关键过程的实验研究，对化学链制氢与SOFC的互补系统进行集成优化，分析关键参数（如反应温度，催化剂种类等）对系统性能的影响。结合并对比模型分析结果和实验数据，提出化学链制氢与SOFC互补系统的集成原则，并优化集成若干化学链制氢与SOFC互补的发电系统。

本项目从热力学与化学学科交叉层面，从基础理论研究，系统集成和实验分析三个角度进行了相关研究。在理论研究方面，建立了相关理论模型，利用COMSOL等软件对SOFC进行数值模拟，得到了影响互补系统性能的关键参数。通过图形㶲分析法发现，余热的梯级利用和高效制氢是系统高性能的主要原因。基于化学能与物理能综合梯级利用原理和方法，结合㶲分析法和能的品位概念，揭示了化学链制氢过程中低能耗CO2分离的规律。系统高性能的主要原因来自三个部分：高效制氢、 SCWG和 SOFC的集成以及余热的梯级利用。理论模型分析表明，不同金属氧载体在化学链制氢与固体燃料电池耦合过程中，氧化反应和还原反应的平衡反应温度不同是影响氧载体理论效率的主要原因。在系统集成方面，提出了多个基于SOFC的新型能源系统，分析了其在设计条件下的性能，发现 SOFC工作温度、水蒸气碳比和转化炉温度是三个关键工作参数，研究了它们对系统性能的影响。搭建了SOFC测试实验平台，分析了关键参数（如反应温度，催化剂种类等）对系统性能的影响。发现 在SOFC和 PSA集成系统工作电压为 0.6 V时，当实际的 PSA吸附功耗达到一定水平时，确实有一个优化的二氧化碳浓度点来最大限度地提高集成系统得输出功率和效率。实验结果与系统模拟结果进行了相互验证。结合并对比模型分析结果和实验数据，最终提出了化学链制氢与SOFC互补系统的集成原则。提出的三种以SOFC为核心的能源系统将从物质和能量两个层面实现了互补。