氫氧燃料電池系統能量模型與仿真

范 晶 ， 周 蕾

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

氫氧燃料電池系統能量模型與仿真

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，從氫能儲存、氫能轉化、電能消耗和熱能利用四個方面出發，建立系統能量參數模型，仿真系統能量參數隨運行工況變化曲線，對參數加以預測和評定，從而指導燃料電池系統設計。

燃料電池 能量 仿真 Simulink

0 前言

氫氧燃料電池是一種電化學能源轉化裝置，它將氫氣和氧氣化學能經電化學反應方式直接轉化為電能和熱能以供應能量［1］。其不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高（40%～60%）；環境友好，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發電廠減少40%以上［2，4］。

氫氧燃料電池系統的能量儲存、轉化及輸出、電能消耗和熱能利用過程的宗旨為提高能量儲存密度，充分利用由化學能轉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；能量轉化及輸出針對燃料電池將化學能轉化為電能和熱能的過程，用燃料電池發電效率來衡量化學能轉化效率；電能消耗是指輔機用電，直接影響燃料電池系統效率值；熱能利用為燃料電池產生熱能回收利用過程，可用系統綜合能量利用率來衡量氫氧源回收利用熱能大小。氫氧燃料電池系統能量原理如圖1所示。

1系統能量參數模型

在仿真預測系統能量參數之前，在Matlab/Simulink軟件中建立系統能量參數模型，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系統能量參數仿真

針對氫氧燃料電池系統的工作特點，按照能量儲存、轉化、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，主要源至管道內氫氣的殘留、燃料電池的尾排和啟動過程中的吹掃，在開關機過程中損耗較多，且氫氣壓力越高氫能損耗越多，其計算較為復雜，本文暫不考慮。以下針對氫能轉化、電能消耗和熱能利用三部分進行計算和仿真，假定系統運行功率范圍為25%～75%額定工況，得出系統能量參數隨運行工況的變化規律。

2.1氫能轉化

氫氣所攜帶的化學能在燃料電池內部通過與氧氣發生電化學反應轉化成電能和熱能。在氫能轉化為電能和熱能所涉及的相關參數中，系統發電效率、系統耗氫率/耗氧率、系統瞬時產生的熱能較為關鍵，仿真參數隨工況的變化曲線。

2.1.1 系統發電效率

系統發電效率為燃料電池輸出電能經直流變換器轉化后輸出的電能功率和有效供應氫能的比值。計算公式為：

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

2.1.2系統耗氫率/耗氧率

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

2.1.3系統產生熱能

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

2.2 電能消耗

燃料電池系統在產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。系統效率是在系統發電效率的基礎上考慮輔機功耗的影響。計算公式為：

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

2.3熱能利用和排出

燃料電池所產生的熱能中，一部分被回收利用，通過閉式循環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、系統綜合能量利用率較為關鍵，仿真參數隨工況的變化曲線。

2.3.1氫/氧源吸熱功率

燃料電池所產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 系統綜合能量利用率

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

其中PH2_heat：氫源吸熱功率；

PO2_heat：氧源吸熱功率。

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

3 結論

本文針對氫氧燃料電池系統，從能量儲存、轉化、消耗和利用四個方面出發，建立系統能量參數模型，仿真得出系統能量參數隨運行工況變化曲線，對參數加以預測和評定，從而指導燃料電池系統設計。研究結論為氫氧燃料電池系統研究奠定理論基礎，為設計和試驗操作提供理論依據。

［1]衣寶廉.燃料電池-原理·技術·應用. 北京化學工業出版社，2003：71-78.

［2]黃鎮江，劉鳳君.燃料電池及其應用［M］. 電子工業出版社，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［M］. 北京:化學工業出版社，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：化學電源。