氨燃料电池-内燃机混合动力系统性能及反应器设计研究.pdf

摘要

摘要

面对资源短缺、温室效应等全球能源环境问题，发展清洁能源是大势所趋。其

中，氢能因其高能量密度、清洁无污染等优势尤其受到研究学者青睐，氢燃料电池

可直接将化学能转化为电能，是最佳氢能利用方式。然而燃料电池启动时间较长、

功率密度较低，燃料电池-内燃机混合动力系统可弥补上述缺点，实际应用可行性

大大提升。氨是一种清洁的高能量密度无碳氢载体，从经济成本、环境保护等方面

来看，以氨制氢极具应用前景。氨分解反应器是氨燃料电池内燃机混合动力系统的

关键部件，催化剂特性研究及反应器构型优化设计对氨制氢性能至关重要。针对混

合动力系统设计及氨分解反应器研究，本文主要进行以下几方面工作：

（1）设计氨燃料电池内燃机混合动力系统，采用模块化建模思想，建立系统

各部件计算模型，通过热力学参数关系将各仿真模块依照系统设计整合连接，进行

系统层面的计算与分析。对比研究三种系统的效率、功率等参数，并探究串并联系

统性能影响规律。其中氨燃料电池内燃机串联系统效率最高，可达61.17%，且燃

料消耗率最少，为315.97g/kWh。

（2）探究氨分解制氢催化剂性能，开展了多种规格的催化剂性能测试实验，

采用管式固定床实验研究与数值模拟相结合的方式，探究了催化剂种类、温度、空

速对氨分解率等的影响；通过实验结果验证了仿真计算模型的准确性，修正了数值

计算中催化剂指前因子等参数。三种催化剂中HTZ204型催化剂性能最佳，可在加

热温度700℃，1000~10000mL/(gcat⋅h)空速范围内实现85%以上的氨分解率。

（3）优化设计反应器流道构型，设计了可满足串联系统输出功率100W的新

型板式反应器，研究了翅柱数目、局部翅柱、翅柱形状等对氨分解率的影响。计算

结果表明，在反应器前段局部添加翅柱，且翅柱数目递减的板式反应器对氨分解率

的改善效果最佳，达同一氨分解率时能显著缩小反应器体积，当氨分解率为10%

时，反应器体积可同比减小约19.88%，氨分解率0.2时，同比减小约15.90%。

（4）对新型板式氨分解反应器开展实验研究，探究加热温度、空速对氨分解

率、氢气产率等参数的影响，总结反应器的最佳性能工况，综合评价板式氨分解反

应器性能。板式反应器保持优良性能的最低温度为550℃，此时氨分解率最高可达

95.28%，反应器功率密度为9.615kW/L，氨分解器能效达18.9%。板式反应器在加

热温度、率密度等方面具备性能优势，适用于氨燃料电池内燃机混合动力系统。

关键词：氨分解；燃料电池；混合动力系统；板式反应器；固定床反应器

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Abstract

Abstract

Inthefaceofglobalenergyandenvironmentalproblemssuchasresourceshortage

andgreenhouseeffect,thedevelopmentofcleanenergyisageneraltrend.Amongthem,

hydrogenenergyisespeciallyfavoredbyresearchersbecauseofitsadvantagesofhigh

energydensityandcleanpollution-free.Hydrogenfuelcellscandirectlyconvertchemical

energyintoelectricalenergy,whichisthebestwaytousehydrogenenergy.However,

fuelcellshavealongstart-uptimeandlowpowerdensity.Thefuelcell-internal

combustionenginehybridsystemcanmakeupfortheab