喻濟兵，王 振，范 晶

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燃料電池系統(tǒng)熱能仿真與能效優(yōu)化

喻濟兵1，王 振2，范 晶

（1. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對燃料電池系統(tǒng)，從提高系統(tǒng)總能效的角度出發(fā)，建立系統(tǒng)輔助裝置循環(huán)水溫度仿真模型，優(yōu)化系統(tǒng)散熱方式，減小系統(tǒng)對外散熱，增大回收利用熱能，從而提升燃料電池系統(tǒng)效率。

燃料電池 熱能 仿真

0 前言

水下續(xù)航力是常規(guī)潛艇最重要的戰(zhàn)技指標(biāo)之一，也是常規(guī)潛艇作戰(zhàn)和水下生存的基礎(chǔ)。為了提高常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)效能，長期以來，潛艇設(shè)計者一直在探索和研究不依賴空氣的推進裝置，以增大常規(guī)潛艇水下續(xù)航力，提高潛艇的隱蔽性和安靜性。燃料電池系統(tǒng)是一種電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、系統(tǒng)振動和噪聲小、反應(yīng)物清潔、配置機動靈活等優(yōu)點，是常規(guī)潛艇理想的動力方案之一[1,2]。燃料電池系統(tǒng)是熱能動態(tài)平衡系統(tǒng)，為減小系統(tǒng)熱能損耗，可從系統(tǒng)輔助裝置循環(huán)水設(shè)計的角度出發(fā)，優(yōu)化系統(tǒng)散熱方式，提高系統(tǒng)總能效。

1 燃料電池系統(tǒng)熱能分布

燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池、氫源、氧源、控制以及輔助等子系統(tǒng)組成。氫燃料通過儲氫合金儲存，氧化劑以液氧方式儲存，工作時，儲氫合金吸熱釋放氫氣，液氧吸熱汽化釋放氧氣，然后將氫氣和氧氣輸送到燃料電池發(fā)電裝置，通過兩種物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出[3,4]。燃料電池發(fā)電裝置、直流變換裝置為放熱源，儲氫裝置、供氧裝置為吸熱源，具體參數(shù)如表1所示。

可見，燃料電池發(fā)電裝置放熱功率大于儲氫裝置吸熱功率和供氧裝置吸熱功率之和，說明系統(tǒng)在無額外能源供應(yīng)條件下，熱量可滿足各關(guān)鍵部件供給需求。通過回收利用燃料電池發(fā)電裝置熱能，用于儲氫供氧裝置釋放氫氧氣，可提高系統(tǒng)效率和總能效。

燃料電池系統(tǒng)熱量釋放與利用分布圖如圖1所示。

2 燃料電池系統(tǒng)熱能仿真與能效優(yōu)化

2.1燃料電池系統(tǒng)換熱方案

為了回收利用燃料電池發(fā)電裝置釋放的熱能，設(shè)計輔助裝置循環(huán)水系統(tǒng)如圖2所示，燃料電池發(fā)電裝置釋放熱能由板式換熱器E1交換至儲氫供氧裝置所在循環(huán)水路，通過熱水箱水量來調(diào)節(jié)水路溫度；剩余熱量由板式換熱器E2傳遞至系統(tǒng)外冷水箱。

根據(jù)循環(huán)水路設(shè)計，可得系統(tǒng)熱能平衡公式：

Q= Q +Q(1)

Q= Q + Q+ Q +Q(2)

式中，Q— 燃料電池放熱功率；Q— 板換E1換熱功率；Q— 燃料電池發(fā)電裝置水路吸熱功率；Q— 板換E2換熱功率；Q— 儲氫裝置吸熱功率；Q— 供氧裝置吸熱功率；Q— 儲氫供氧裝置水路吸熱功率。

系統(tǒng)回收利用的熱能ER計算公式如下：

E=Q+Q+Q+Q(3)

系統(tǒng)總能效η定義為在規(guī)定的運行條件下，在給定的時間周期內(nèi)，系統(tǒng)有效利用能量（電能輸出和從系統(tǒng)回收熱能的總和）與在相同時間周期內(nèi)系統(tǒng)消耗氫燃料熱值的比率，計算公式為[5]：

=(P+E)/m×LHV×100% (4)

式中，P—系統(tǒng)輸出功率；m— 氫氣質(zhì)量流量；— 氫氣低熱值。

2.2燃料電池系統(tǒng)能效優(yōu)化

為了提高燃料電池系統(tǒng)總能效，從輔助裝置循環(huán)水角度出發(fā)，優(yōu)化系統(tǒng)散熱方式，減小系統(tǒng)對外散熱，增大回收利用熱能。以儲氫供氧裝置水路的水溫為指示信號，當(dāng)水溫高于設(shè)定閾值時，開啟板換E2，帶走系統(tǒng)熱能；板換E2開啟一段時間后，當(dāng)水路水溫低于設(shè)定閾值時，關(guān)閉板換E2，停止換熱。以此循環(huán)往復(fù)。為減小系統(tǒng)對外散熱，提高系統(tǒng)能效，需提高循環(huán)水溫度，且維持在合理的水溫范圍內(nèi)。根據(jù)電堆設(shè)計要求，燃料電池發(fā)電裝置水路的水溫波動范圍為65~75℃較為合適；綜合考慮儲氫供氧裝置釋放氫氧氣和紅外特性要求，儲氫供氧裝置水路水溫波動范圍為 40~50℃較為合適。

假定循環(huán)水初始溫度為室溫，隨著系統(tǒng)運行，循環(huán)水溫度上升，溫升計算公式為：

式中，△—循環(huán)水進出口溫差；—換熱功率；CH2O— 水的比熱容；

H2O—水的密度；—循環(huán)水流量；— 換熱量；—循環(huán)水體積。

板式換熱器冷熱側(cè)水溫與兩側(cè)流量、傳熱系數(shù)、換熱面積相關(guān)，滿足

式中，h— 板換熱側(cè)流量；

c— 板換冷側(cè)流量；

h_in— 熱側(cè)進口水溫；

h_out— 熱側(cè)出口水溫；

c_in— 冷側(cè)進口水溫；

c_out— 冷側(cè)出口水溫；

ex— 逆流對數(shù)平均溫差；

— 傳熱系數(shù)；

— 板換換熱面積。

設(shè)定三組閾值如表3所示，仿真水溫隨時間變化曲線，比較系統(tǒng)總能效優(yōu)劣。

通過仿真軟件，建立循環(huán)水溫度仿真模型，仿真得到三組水溫閾值設(shè)定條件下系統(tǒng)循環(huán)水溫度隨時間變化曲線如圖3、圖4、圖5所示。

由三組曲線可以看出，板換E2的開啟和關(guān)閉影響儲氫供氧裝置水路水溫，使其呈周期性波動，又通過板換E1影響燃料電池發(fā)電裝置水路水溫。通過計算，得到三組散熱方式對應(yīng)的系統(tǒng)總能效分別為：76.93%，77.31%和77.38%，可看出第二、三組閾值設(shè)定方式使得系統(tǒng)能效較高，但第三組方式使得板換開啟頻率過高，綜合考慮系統(tǒng)總能效和板換開啟頻率，散熱方式2為最佳換熱方式。

3 結(jié)論

本文從提高燃料電池系統(tǒng)總能效的角度出發(fā)，通過系統(tǒng)熱能仿真與能效優(yōu)化分析，建立系統(tǒng)輔助裝置循環(huán)水溫度仿真模型，對水溫參數(shù)加以預(yù)測和評定，為燃料電池系統(tǒng)研究奠定理論基礎(chǔ)，并為設(shè)計和試驗操作提供理論依據(jù)。

[1] 王曉武. 國外常規(guī)潛艇AIP技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析.艦船科學(xué)技術(shù), 2009,31（1）：172-175.

[2] 孫奇虎，張煒等. 常規(guī)潛艇燃料電池AIP的方案設(shè)計.艦船科學(xué)技術(shù), 2010,32（3）：36-39.

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

[4] 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.

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

Heat Simulation and Energy Efficiency Optimization of Fuel Cell System

Yu Jibing1, Wang Zhen2, Fan Jing2

(1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2017）11-0078-03

2017-10-15

喻濟兵(1969-)，男，高級工程師。研究方向：化學(xué)電源。