基于硫碘循环的热电转换技术研究

摘要

热化学硫碘(SI)循环是一种高效、经济、无污染的大规模制氢方法。研究表明，它是最有前途的制氢方法之一。
　　 热化学硫碘循环包括三个反应：本征(Bunsen)反应、HI分解反应和硫酸分解反应。我们研究了影响硫碘循环的关键问题：本征反应平衡时液-液相(LLE)分离；反应物比例、温度、压力对本征反应的影响；温度、压力、膜反应器和水的存在对碘化氢分解热力学平衡状态的影响以及磷酸萃取提纯HI的效果。在此基础上，提出了本征反应最佳的工作条件：常压条件下，温度为80℃，碘摩尔分数为0.45。在此条件下操作能够有效避免发生副反应和碘凝固。硫碘循环中最困难的是碘化氢，碘和水混合物的分离，我们使用磷酸萃取蒸馏HIx共沸物的方法，实验表明，当磷酸浓度为68.6wt％时，效果最好；温度的升高对萃取过程有一定促进作用，最佳实验温度为80℃。利用Factsage模拟HI分解反应，分别模拟在有水蒸气存在和膜分离的情况下HI平衡分解率。结果表明，当温度高于500℃，水蒸气可以促进HI分解；通过膜分离技术，HI平衡分解率可达到77.1%，压力对反应无明显影响。
　　 质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展速度非常快。它具有工作温度低、启动快、无污染、功率密度大、可大批量生产等特点。本文通过利用Matlab/Simulink建立质子交换膜燃料电池稳态模型，研究反应气体的压力、温度和相对湿度等参数对电池特性的影响。发现增大电极工作压力，升高电极温度，提高温度保持反应气体干燥性等方法可以提高电池性能和电池效率；但随着工作电流密度的变大，且温度高于350K时，电池的效率逐渐下降，因此在电池的实际应用过程中，需要综合考虑电池的效率和功率要求。
　　 热化学硫碘循环和质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其零排放、高效率、无污染等优点已经吸引了国际上极大的兴趣，具有广阔的市场前景。