铋插层氧化锌/杂原子掺杂还原碳片复合电极用于危险有机污染物N-甲基氨基苯酚的高灵敏度电分析检测

为解决化石燃料依赖导致的环境问题，研究人员开发了基于煤层气重整（CMR）与质子交换膜燃料电池（PEMFC）的级联系统。通过常规与高级?（exergy）、?经济（exergoeconomic）及?环境（exergoenvironmental）分析，发现阴极可避免?损达51.1256 kW，热交换器2可避免环境影响率58.5541 mpts/h。多目标优化确定系统在822.39°C重整温度下最优，为清洁能源系统优化提供新方向。

　　

随着全球对化石燃料过度依赖引发的环境问题日益严峻，氢能作为一种清洁高效的替代能源备受关注。煤层气（CBM）作为新兴清洁能源，其高效利用成为研究热点。然而，传统氢制备方法仍依赖化石燃料，且系统能效与环保性能亟待提升。为此，湖南工业大学（Hunan University of Technology）的研究团队创新性地将煤层气重整制氢与质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术耦合，构建了级联能源系统，相关成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》。

研究采用多学科交叉方法：通过Aspen Plus模拟煤层气变压吸附分离过程；运用常规与高级?（衡量能量品质的指标）分析量化系统不可逆损失；结合?经济学（exergoeconomic）评估碳税对成本的影响；采用?环境学（exergoenvironmental）方法以毫环境点（mpts）为单位测算环境影响；最后通过TOPSIS（优劣解距离法）与香农熵（Shannon entropy）进行多目标优化。

系统描述
研究构建了CMR-PEMFC耦合系统，煤层气经变压吸附分离甲烷后，与水和氮气混合预热，在822.39°C下进行重整反应。采用单乙醇胺溶液吸收反应产生的CO₂，PEMFC利用产生的氢发电。

常规?分析
数据显示阴极?损达154.3770 kW（占系统总量51.8%），阳极占22.6%，表明PEMFC是能效优化的关键。热交换器1与重整器分别贡献12.1%和7.4%的?损。

高级分析突破
高级?分析揭示阴极可避免?损达51.1256 kW，其?经济成本可降低2.5326$/h；热交换器2具有最高可避免环境影响率（58.5541 mpts/h）。这表明通过组件改进可显著提升系统可持续性。

多目标优化
以总?损（298.0251 kW）、?经济成本率（27.8790$/h）和环境影响率（424.3612 mpts/h）为指标，Pareto前沿显示系统在822.39°C重整温度下达到最优平衡。

该研究首次将碳税纳入CMR-PEMFC系统的?经济分析，证实阴极改造对提升系统性能的核心作用。高级分析方法量化了各组件改进潜力，为清洁能源系统设计提供了可量化的优化路径，对推动氢能产业化具有重要指导意义。研究团队特别指出，未来需重点降低阴极材料成本与环境影响，以实现技术经济性突破。