光合生物制氢与质子交换膜燃料电池的适配性研究

作     者：唐果 

作者单位：河南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张全国;王毅

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：光合生物制氢 燃料电池 绿色能源 适配 

摘      要：光合生物产氢技术利用细菌发酵生产氢气,已成为一项热门的绿色能源技术,拥有无限广阔的前景。使用质子交换膜燃料电池可将氢能高效无污染地转换为电能。若两者可结合使用,必将成为一种绿色环保高效的发电方式。本文研究了光合生物制氢设备在不同水力滞留时间下的产氢效果,并以最佳产氢效果所对应的水力滞留时间为依据,使用此水力滞留时间对应的产氢速率和氢气浓度选用对应的氢气-二氧化碳混合气体驱动燃料电池并进行输出分析。光合生物制氢实验使用葡萄糖作为底物,选用HAU-M1型菌种,使用有效体积为1 m3的连续式折流板生物制氢反应器,选用水力滞留时间为12 h、24 h、36 h、48 h、60 h,对应流量分别为2 m3/d、1m3/d、0.67 m3/d、0.5 m3/d和0.4 m3/d。燃料电池输出性能研究选用最大输出功率为80 W的质子交换膜燃料电池堆、可调电子负载、电磁阀以及相关控制电路,并使用40-60%的氢气-二氧化碳混合气体驱动,依照实验结果将燃料电池与连续式光合生物制氢装置进行适配。实验结果表明:1)光合生物制氢实验中,在水力滞留时间为12～60 h时,产氢速率的变化范围为0.52～1.16 m3/m3/d,产氢浓度的变化范围为48.88～52.89%。水力滞留时间为24 h时,光合生物制氢设备的总产氢速率最高,为1.16 m3/m3/d,对应平均氢气浓度为50.97%:水力滞留时间为48h时,光合生物制氢设备的平均氢气浓度最高,为52.89%,对应总产氢速率为0.56 m3/m3/d。2)质子交换膜燃料电池在使用浓度为40～60%的氢气-二氧化碳混合气体的驱动下可在一定功率下正常运行。在可正常运行的功率范围内,输入混合气体的氢气浓度越低,对应最大输出功率越低,所需设定的吹扫周期越短,相同功率输出下所需气体流量越大。燃料电池在一个吹扫周期内的输出功率随时间增长而下降,二者可以很好地用二次方程进行拟合;燃料电池在一个吹扫周期内输入气体的平均流量和平均输出功率可以很好地用一次方程进行拟合。在输入氢气浓度为60%时,最大平均输出功率为35.73 W,对应输出电流为1.6A;在输入氢气浓度为40%时,最大平均输出功率为18.96 W,对应输出电流为0.7 A。将水力滞留时间为24 h下对应的产氢结果与质子交换膜燃料电池堆进行适配,可实现连续输出功率约为62.25 W。