范 晶 ， 周 蕾

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

氫氧燃料電池系統(tǒng)能量模型與仿真

范 晶 ， 周 蕾

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對氫氧燃料電池系統(tǒng)，從氫能儲存、氫能轉(zhuǎn)化、電能消耗和熱能利用四個方面出發(fā)，建立系統(tǒng)能量參數(shù)模型，仿真系統(tǒng)能量參數(shù)隨運行工況變化曲線，對參數(shù)加以預(yù)測和評定，從而指導(dǎo)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計。

燃料電池 能量 仿真 Simulink

0 前言

氫氧燃料電池是一種電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化裝置，它將氫氣和氧氣化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)方式直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能以供應(yīng)能量［1］。其不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高（40%～60%）；環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠減少40%以上［2，4］。

氫氧燃料電池系統(tǒng)的能量儲存、轉(zhuǎn)化及輸出、電能消耗和熱能利用過程的宗旨為提高能量儲存密度，充分利用由化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來的電能和熱能，增大電能有效輸出。能量儲存問題主要針對氫燃料儲存；能量轉(zhuǎn)化及輸出針對燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的過程，用燃料電池發(fā)電效率來衡量化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率；電能消耗是指輔機用電，直接影響燃料電池系統(tǒng)效率值；熱能利用為燃料電池產(chǎn)生熱能回收利用過程，可用系統(tǒng)綜合能量利用率來衡量氫氧源回收利用熱能大小。氫氧燃料電池系統(tǒng)能量原理如圖1所示。

1系統(tǒng)能量參數(shù)模型

在仿真預(yù)測系統(tǒng)能量參數(shù)之前，在Matlab/Simulink軟件中建立系統(tǒng)能量參數(shù)模型，將模型分模塊進行封裝，保留模塊輸入輸出接口，封裝后的仿真模型如圖2所示。

2系統(tǒng)能量參數(shù)仿真

針對氫氧燃料電池系統(tǒng)的工作特點，按照能量儲存、轉(zhuǎn)化、消耗和利用四個步驟，將其運行過程分解為氫能儲存、氫能轉(zhuǎn)化、電能消耗和熱能利用四部分。氫能儲存可采用氫化物儲氫或高壓氫氣瓶儲氫方式，儲氫量則由充氫量決定；氫能儲存存在損耗，主要源至管道內(nèi)氫氣的殘留、燃料電池的尾排和啟動過程中的吹掃，在開關(guān)機過程中損耗較多，且氫氣壓力越高氫能損耗越多，其計算較為復(fù)雜，本文暫不考慮。以下針對氫能轉(zhuǎn)化、電能消耗和熱能利用三部分進行計算和仿真，假定系統(tǒng)運行功率范圍為25%～75%額定工況，得出系統(tǒng)能量參數(shù)隨運行工況的變化規(guī)律。

2.1氫能轉(zhuǎn)化

氫氣所攜帶的化學(xué)能在燃料電池內(nèi)部通過與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能和熱能。在氫能轉(zhuǎn)化為電能和熱能所涉及的相關(guān)參數(shù)中，系統(tǒng)發(fā)電效率、系統(tǒng)耗氫率/耗氧率、系統(tǒng)瞬時產(chǎn)生的熱能較為關(guān)鍵，仿真參數(shù)隨工況的變化曲線。

2.1.1 系統(tǒng)發(fā)電效率

系統(tǒng)發(fā)電效率為燃料電池輸出電能經(jīng)直流變換器轉(zhuǎn)化后輸出的電能功率和有效供應(yīng)氫能的比值。計算公式為：

其中Pw：系統(tǒng)電能輸出，mH2：氫氣流量，LHVH2：氫氣低熱值。系統(tǒng)發(fā)電效率隨工況變化曲線如圖3所示，系統(tǒng)發(fā)電效率隨功率值增大而減小。

2.1.2系統(tǒng)耗氫率/耗氧率

系統(tǒng)耗氫率、耗氧率是指在某一時刻系統(tǒng)對氫氣、氧氣的消耗速率，也即氫氣或氧氣供應(yīng)速率。系統(tǒng)耗氫率、耗氧率隨工況變化曲線分別如圖4、圖5所示，可見，系統(tǒng)耗氫率、耗氧率隨功率值增大而增大。

2.1.3系統(tǒng)產(chǎn)生熱能

系統(tǒng)產(chǎn)生熱能包括燃料電池生熱和直流變換器生熱。系統(tǒng)生熱功率隨工況變化曲線如圖 6所示，可見，系統(tǒng)生熱功率隨功率值增大而增大。

2.2 電能消耗

燃料電池系統(tǒng)在產(chǎn)生電能的同時也會消耗一部分電能，稱為輔機功耗，這部分電能消耗通常由外部（如蓄電池組）提供。系統(tǒng)效率是在系統(tǒng)發(fā)電效率的基礎(chǔ)上考慮輔機功耗的影響。計算公式為：

其中Pa：輔機功耗。在計算出系統(tǒng)輔機功耗的基礎(chǔ)上，仿真得出系統(tǒng)效率隨工況變化曲線如圖7所示。由曲線圖可見，系統(tǒng)效率隨功率值增大先增大再減小，大約在58%額定工況時系統(tǒng)效率為最大值54.3%，在25%額定工況時系統(tǒng)效率為最低值48.8%。

2.3熱能利用和排出

燃料電池所產(chǎn)生的熱能中，一部分被回收利用，通過閉式循環(huán)分別供給供氫和供氧裝置，多余的熱能則通過與外部換熱帶走。熱能利用和排出過程中，氫/氧源吸熱功率、系統(tǒng)綜合能量利用率較為關(guān)鍵，仿真參數(shù)隨工況的變化曲線。

2.3.1氫/氧源吸熱功率

燃料電池所產(chǎn)生熱能的一部分被氫、氧源所利用。氫源、氧源吸熱功率隨工況變化曲線分別如圖8、圖9所示，可見，氫/氧源吸熱功率隨功率值增大而增大。

2.3.2 系統(tǒng)綜合能量利用率

系統(tǒng)綜合能量利用率為系統(tǒng)輸出的電能加利用的熱能和有效供應(yīng)氫能的比值。計算公式為：

其中PH2_heat：氫源吸熱功率；

PO2_heat：氧源吸熱功率。

系統(tǒng)綜合能量利用率隨工況變化曲線如圖10所示，可見，系統(tǒng)綜合能量利用率隨功率值增大而減小。

3 結(jié)論

本文針對氫氧燃料電池系統(tǒng)，從能量儲存、轉(zhuǎn)化、消耗和利用四個方面出發(fā)，建立系統(tǒng)能量參數(shù)模型，仿真得出系統(tǒng)能量參數(shù)隨運行工況變化曲線，對參數(shù)加以預(yù)測和評定，從而指導(dǎo)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計。研究結(jié)論為氫氧燃料電池系統(tǒng)研究奠定理論基礎(chǔ)，為設(shè)計和試驗操作提供理論依據(jù)。

［1]衣寶廉.燃料電池-原理·技術(shù)·應(yīng)用. 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003：71-78.

［2]黃鎮(zhèn)江，劉鳳君.燃料電池及其應(yīng)用［M］. 電子工業(yè)出版社，2005.

［3]HOOGERS G.. Fuel cell technology handbook ［M］.London: CRC Press， 2003.

［4]COOK B. An introduction to fuel cells and hydrogen technology ［R］. 2001.

［5]陳全世，朱家璉，田光宇. 先進電動汽車技術(shù)［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［6]CHANG P. Computational fuel cell dynamics-III ［R］. 2005.

Energy Model and Simulation of Hydrogen-Oxygen Fuel Cell System

Fan Jing ， Zhou Lei
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion， Wuhan 430064， China）

Energy model of hydrogen-oxygen fuel cell system is built on the basis of hydrogen energy storage and transformation， electric energy consumption， and heat energy utilization process. The change curve between energy parameter and working condition is simulated， and the energy parameters are predicted and evaluated so as to guide the design of fuel cell system.

fuel cell； energy； simulation； Simulink

TM911

A

1003-4862（2016）07-0042-05

2016-02-15

范晶（1980-），男，博士，高級工程師。研究方向：化學(xué)電源。