【摘 要】
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以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为基础的热电联产（CHP）混合系统是实现住宅能源独立的一种很有前途的分布式发电系统,因为它可以同时发电和供热。然而,由于电力和热量输出的比例随最终用户需求而波动,因此仍存在大量能源浪费。为了提高PEMFC-CHP混合系统的功率输出,引入了一种热电发生器（TEG）。它可以提高系统性能,缓解能源供应和需求之间的不匹配问题,同时有利于改善环境质量。本文建立了PEMFC-
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以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为基础的热电联产（CHP）混合系统是实现住宅能源独立的一种很有前途的分布式发电系统,因为它可以同时发电和供热。然而,由于电力和热量输出的比例随最终用户需求而波动,因此仍存在大量能源浪费。为了提高PEMFC-CHP混合系统的功率输出,引入了一种热电发生器（TEG）。它可以提高系统性能,缓解能源供应和需求之间的不匹配问题,同时有利于改善环境质量。本文建立了PEMFC-CHP-TEG混合动力系统的数学模型,搭建了混合系统的仿真模型,对TEG和混合系统分别进行了仿真与实验分析,以深入分析其运行机理,优化功率输出性能。最后建立了相应的实验装置,验证了该模型的有效性。论文主要内容与结论如下:1.首先介绍了TEG模块的工作原理,建立了TEG的数学模型,并搭建了相对应的仿真模型。分析了TEG模块在不同温差条件下所产生的功率与效率,分析了外部电阻对TEG模块输出功率与系统效率的影响。结果表明,在5k W质子交换膜燃料电池热电联产系统中,TEG的热电转换效率为0.9%。此外,通过开发30个单元TEG模块,混合动力系统的总效率可以达到86.1%,热电联产系统的电效率和可用能源效率分别提高0.402%和0.187%。2.建立了燃料电池的仿真模型,分析了其输出特性,之后建立了燃料电池热电联供系统的仿真模型,分析了热电联供系统的功率输出与系统效率。在燃料电池热电联供系统基础上,加入了TEG模块,分析了PEMFC-CHP-TEG系统的各项性能。仿真结果表明,本文建立的燃料电池仿真模型可以反应实际的系统运行状况,且相对于热电联供系统来说,混合系统的输出功率与能源利用率都有了不同程度的提高。3.搭建了“PEMFC-CHP-TEG系统”的实验平台,结果显示实验与仿真之间的差异比较小。证明了PEMFC-CHP-TEG混合系统设计方案的可行性与合理性,并揭示了使用TEG回收低温热能的应用前景。
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