摘要
高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）会产生可回收利用的热能，用于额外发电。本研究结合响应面法（RSM）与热力学能量分析，调查了高温质子交换膜燃料电池 - 有机朗肯循环（ORC）集成系统。采用 17 组响应面设计来量化压力、温度和电流密度对极化电压的影响。功率密度直接由 RSM 预测电压利用公式 Pd = iE 推导得出，以保持物理一致性。该电化学模型在相似条件下与已发表的磷酸掺杂聚苯并咪唑高温质子交换膜燃料电池极化数据进行了基准对比。约束优化确定了 400 kPa、443 K 和约 1.198 A cm?2 的运行条件，预测电压为 0.5395 V，功率密度约为 0.6462 W cm?2。相对于采用的参考条件，功率密度增加了 12.9%。另外，参考热力学案例产生了 13.08 kW 的高温质子交换膜燃料电池堆总电功率，以及假设可供 ORC 使用的 15.45 kW 热输出。可用的现有 R409A 参考案例在 2 MPa 的蒸发器压力下进行了评估，产生约 1.24 kW 的 ORC 净功率和约 8.02% 的净热效率。在未建模的配套系统辅助功率消耗之前，得出的组合建模电输出约为 14.32 kW，其中 ORC 的贡献相当于高温质子交换膜燃料电池堆总输出的约 9.5%。结果表明，物理一致的高温质子交换膜燃料电池运行条件优化与废热回收具有互补潜力，而 ORC 结果仍具体保留于 R409A 参考数据集。
