燃料電池系統熱能仿真與能效優化

喻濟兵，王 振，范 晶

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燃料電池系統熱能仿真與能效優化

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，從提高系統總能效的角度出發，建立系統輔助裝置循環水溫度仿真模型，優化系統散熱方式，減小系統對外散熱，增大回收利用熱能，從而提升燃料電池系統效率。

燃料電池 熱能 仿真

0 前言

水下續航力是常規潛艇最重要的戰技指標之一，也是常規潛艇作戰和水下生存的基礎。為了提高常規潛艇的作戰效能，長期以來，潛艇設計者一直在探索和研究不依賴空氣的推進裝置，以增大常規潛艇水下續航力，提高潛艇的隱蔽性和安靜性。燃料電池系統是一種電化學能源轉化裝置，具有能量轉換效率高、系統振動和噪聲小、反應物清潔、配置機動靈活等優點，是常規潛艇理想的動力方案之一[1,2]。燃料電池系統是熱能動態平衡系統，為減小系統熱能損耗，可從系統輔助裝置循環水設計的角度出發，優化系統散熱方式，提高系統總能效。

1 燃料電池系統熱能分布

燃料電池系統主要由燃料電池、氫源、氧源、控制以及輔助等子系統組成。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電裝置，通過兩種物質發生電化學反應將化學能轉化為電能輸出[3,4]。燃料電池發電裝置、直流變換裝置為放熱源，儲氫裝置、供氧裝置為吸熱源，具體參數如表1所示。

可見，燃料電池發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，說明系統在無額外能源供應條件下，熱量可滿足各關鍵部件供給需求。通過回收利用燃料電池發電裝置熱能，用于儲氫供氧裝置釋放氫氧氣，可提高系統效率和總能效。

燃料電池系統熱量釋放與利用分布圖如圖1所示。

2 燃料電池系統熱能仿真與能效優化

2.1燃料電池系統換熱方案

為了回收利用燃料電池發電裝置釋放的熱能，設計輔助裝置循環水系統如圖2所示，燃料電池發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水路，通過熱水箱水量來調節水路溫度；剩余熱量由板式換熱器E2傳遞至系統外冷水箱。

根據循環水路設計，可得系統熱能平衡公式：

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。

系統回收利用的熱能ER計算公式如下：

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

系統總能效η定義為在規定的運行條件下，在給定的時間周期內，系統有效利用能量（電能輸出和從系統回收熱能的總和）與在相同時間周期內系統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—系統輸出功率；m— 氫氣質量流量；— 氫氣低熱值。

2.2燃料電池系統能效優化

為了提高燃料電池系統總能效，從輔助裝置循環水角度出發，優化系統散熱方式，減小系統對外散熱，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，當水溫高于設定閾值時，開啟板換E2，帶走系統熱能；板換E2開啟一段時間后，當水路水溫低于設定閾值時，關閉板換E2，停止換熱。以此循環往復。為減小系統對外散熱，提高系統能效，需提高循環水溫度，且維持在合理的水溫范圍內。根據電堆設計要求，燃料電池發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。

假定循環水初始溫度為室溫，隨著系統運行，循環水溫度上升，溫升計算公式為：

式中，△—循環水進出口溫差；—換熱功率；CH2O— 水的比熱容；

H2O—水的密度；—循環水流量；— 換熱量；—循環水體積。

板式換熱器冷熱側水溫與兩側流量、傳熱系數、換熱面積相關，滿足

式中，h— 板換熱側流量；

c— 板換冷側流量；

h_in— 熱側進口水溫；

h_out— 熱側出口水溫；

c_in— 冷側進口水溫；

c_out— 冷側出口水溫；

ex— 逆流對數平均溫差；

— 傳熱系數；

— 板換換熱面積。

設定三組閾值如表3所示，仿真水溫隨時間變化曲線，比較系統總能效優劣。

通過仿真軟件，建立循環水溫度仿真模型，仿真得到三組水溫閾值設定條件下系統循環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影響燃料電池發電裝置水路水溫。通過計算，得到三組散熱方式對應的系統總能效分別為：76.93%，77.31%和77.38%，可看出第二、三組閾值設定方式使得系統能效較高，但第三組方式使得板換開啟頻率過高，綜合考慮系統總能效和板換開啟頻率，散熱方式2為最佳換熱方式。

3 結論

本文從提高燃料電池系統總能效的角度出發，通過系統熱能仿真與能效優化分析，建立系統輔助裝置循環水溫度仿真模型，對水溫參數加以預測和評定，為燃料電池系統研究奠定理論基礎，并為設計和試驗操作提供理論依據。

[1] 王曉武. 國外常規潛艇AIP技術現狀及發展趨勢分析.艦船科學技術, 2009,31（1）：172-175.

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

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

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