喻濟(jì)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(jì)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(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)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(duì)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(zhǎng)期以來(lái)，潛艇設(shè)計(jì)者一直在探索和研究不依賴(lài)空氣的推進(jìn)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(dòng)和噪聲小、反應(yīng)物清潔、配置機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)潛艇理想的動(dòng)力方案之一[1,2]。燃料電池系統(tǒng)是熱能動(dòng)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(jì)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(guò)儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)存，氧化劑以液氧方式儲(chǔ)存，工作時(shí)，儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)氫裝置、供氧裝置為吸熱源，具體參數(shù)如表1所示。

可見(jiàn)，燃料電池發(fā)電裝置放熱功率大于儲(chǔ)氫裝置吸熱功率和供氧裝置吸熱功率之和，說(shuō)明系統(tǒng)在無(wú)額外能源供應(yīng)條件下，熱量可滿(mǎn)足各關(guān)鍵部件供給需求。通過(guò)回收利用燃料電池發(fā)電裝置熱能，用于儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)氫供氧裝置所在循環(huán)水路，通過(guò)熱水箱水量來(lái)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(jì)，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(chǔ)氫裝置吸熱功率；Q— 供氧裝置吸熱功率；Q— 儲(chǔ)氫供氧裝置水路吸熱功率。

系統(tǒng)回收利用的熱能ER計(jì)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(yùn)行條件下，在給定的時(shí)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(shí)間周期內(nèi)系統(tǒng)消耗氫燃料熱值的比率，計(jì)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(duì)外散熱，增大回收利用熱能。以?xún)?chǔ)氫供氧裝置水路的水溫為指示信號(hào)，當(dāng)水溫高于設(shè)定閾值時(shí)，開(kāi)啟板換E2，帶走系統(tǒng)熱能；板換E2開(kāi)啟一段時(shí)間后，當(dāng)水路水溫低于設(shè)定閾值時(shí)，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(duì)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(jì)要求，燃料電池發(fā)電裝置水路的水溫波動(dòng)范圍為65~75℃較為合適；綜合考慮儲(chǔ)氫供氧裝置釋放氫氧氣和紅外特性要求，儲(chǔ)氫供氧裝置水路水溫波動(dòng)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(yùn)行，循環(huán)水溫度上升，溫升計(jì)算公式為：

式中，△—循環(huán)水進(jìn)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(mǎn)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(jìn)口水溫；

h_out— 熱側(cè)出口水溫；

c_in— 冷側(cè)進(jìn)口水溫；

c_out— 冷側(cè)出口水溫；

ex— 逆流對(duì)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(shí)間變化曲線(xiàn)，比較系統(tǒng)總能效優(yōu)劣。

通過(guò)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(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3、圖4、圖5所示。

由三組曲線(xiàn)可以看出，板換E2的開(kāi)啟和關(guān)閉影響儲(chǔ)氫供氧裝置水路水溫，使其呈周期性波動(dòng)，又通過(guò)板換E1影響燃料電池發(fā)電裝置水路水溫。通過(guò)計(jì)算，得到三組散熱方式對(duì)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(kāi)啟頻率過(guò)高，綜合考慮系統(tǒng)總能效和板換開(kāi)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(guò)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(duì)水溫參數(shù)加以預(yù)測(cè)和評(píng)定，為燃料電池系統(tǒng)研究奠定理論基礎(chǔ)，并為設(shè)計(jì)和試驗(yàn)操作提供理論依據(jù)。

[1] 王曉武. 國(guó)外常規(guī)潛艇AIP技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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(jì).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(jì)兵(1969-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：化學(xué)電源。