燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

摘要：分析流通、閉端、循環(huán)三種供氫系統(tǒng)布置方式的特點(diǎn)，針對功率為150 kW的氫燃料電池電堆，對循環(huán)式供氫系統(tǒng)布置方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，搭建燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對9種不同的電池工作狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，探討循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速、排氣周期和排氣時(shí)間對燃料電池系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明，燃料電池陽極處氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)隨電流增大而增大；循環(huán)泵轉(zhuǎn)速對電堆陽極氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)沒有影響；當(dāng)排氣周期小于10 s時(shí)，排氣時(shí)間應(yīng)適當(dāng)減小，當(dāng)排氣周期大于20 s時(shí)，排氣時(shí)間應(yīng)適當(dāng)增大；陽極氫氣體積流量隨電流增大而增大，氫氣過量比隨電流增大而減小。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；氫氣循環(huán)系統(tǒng)；陽極；仿真模擬

中圖分類號：TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0046-08

引用格式：劉黎明，任沖沖，劉敏，等.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（6）：46-53.

LIU Liming， REN Chongchong， LIU Min， et al.Design and analysis of hydrogen supply system for a fuel cell engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：46-53.

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染等問題嚴(yán)重影響人們的生活并制約社會(huì)的發(fā)展。基于國家能源安全以及環(huán)境保護(hù)的要求，我國在2020年9月提出“雙碳戰(zhàn)略”目標(biāo)，推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，降低現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比，提高可再生能源占比^[1-2]。氫能具有燃料熱值高、清潔無污染等優(yōu)勢，是應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染的綠色能源^[3]。氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，相比傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化形式，氫燃料電池的轉(zhuǎn)換效率較高，可達(dá)60%～70%。在節(jié)能減排的大背景下，氫燃料電池憑借熱值高、效率高、清潔無污染等優(yōu)勢， 發(fā)展速度越來越快^[4]。

燃料電池電堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心，電堆內(nèi)部涉及復(fù)雜的物理化學(xué)過程，為了研究電堆中傳質(zhì)、傳熱和電化學(xué)反應(yīng)的工作機(jī)理，分析陰、陽極流體流動(dòng)特性，制定高效的運(yùn)行控制策略，近年來中外學(xué)者對其進(jìn)行了仿真研究。Springer等^[5]搭建一維穩(wěn)態(tài)模型，研究了質(zhì)子交換膜中水的傳輸機(jī)制對電池性能的影響，分析了電流密度、膜厚度、膜內(nèi)阻之間的聯(lián)系。在復(fù)雜流道配置中，電堆中物質(zhì)的多維擴(kuò)散和對流傳熱傳質(zhì)的相互作用往往不能忽略。Singh等^[6]提出了單電池二維水熱傳輸模型，綜合考慮多孔電極擴(kuò)散作用，液態(tài)水在電極和膜中的對流、電滲透作用，利用該模型研究了水的流動(dòng)方式和孔隙率對電池性能的影響。Liu等^[7-8]基于修正的Brinkman方程，建立了三維多相非等溫的水熱管理模型，設(shè)計(jì)了8種冷卻方案，研究了陰極流動(dòng)方向、陽極流動(dòng)方向和冷卻水流動(dòng)方向?qū)﹄姵貎?nèi)部溫度分布的影響，并使用該模型分析了質(zhì)子膜的液態(tài)水分布特性。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不僅包含燃料電池堆本身，還包括其他輔助系統(tǒng)，如燃料電池中的氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。氫氣供給系統(tǒng)的主要作用是保證燃料電池穩(wěn)定可靠的氫源供應(yīng)，從而確保其穩(wěn)定運(yùn)行，是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，因此對氫燃料電池氫氣供給系統(tǒng)的研究具有較大的工程實(shí)用意義。保持燃料電池陽極的壓力穩(wěn)定對于提高電池的輸出效率和延長質(zhì)子交換膜的使用壽命至關(guān)重要。因此，確保恒定的電堆陽極壓力對整個(gè)系統(tǒng)的性能和耐久性具有顯著影響。He等^[9]開發(fā)了面向控制的燃料電池動(dòng)態(tài)模型，基于該模型設(shè)計(jì)并優(yōu)化了兩種控制策略，均能維持穩(wěn)定的陽極壓力和氫氣過量比。氫氣供給系統(tǒng)的布置方式對氫氣利用率和電池輸出功率的影響很大。韓濟(jì)泉等^[10]為功率為200 kW的燃料電池設(shè)計(jì)了4種循環(huán)供氫系統(tǒng)，建立了循環(huán)供氫系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)，采用理論分析和流體仿真計(jì)算相結(jié)合的方法對比4種供氫方案，結(jié)果表明：在大功率燃料電池電堆中，聯(lián)合使用引射器和氫泵能夠減小功率消耗。

燃料電池本身及其輔助都對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。如今仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氫燃料電池的研發(fā)過程中，但是將燃料電池本身、供氫系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)聯(lián)合的仿真分析尚不多見。本文中綜合考慮燃料電池本身、供氫系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)中復(fù)雜的物理化學(xué)過程和運(yùn)行特性，建立仿真模型，分析循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣時(shí)間以及排氣周期對氫燃料電池各狀態(tài)參數(shù)的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為優(yōu)化氫燃料電池電堆的性能提供參考。

1 供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模型建立

1.1 供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃料電池供氫系統(tǒng)有3種常用的布置方式：流通模式、閉端模式、循環(huán)模式，如圖1所示。在流通模式中，氫氣從儲(chǔ)氫罐釋放，依次通過減壓閥和流量調(diào)節(jié)器，進(jìn)入燃料電池電堆。其中一部分氫氣在電池電堆中反應(yīng)，未反應(yīng)的氫氣直接從燃料電池電堆出口釋放。這種流動(dòng)方式不利于保持電池堆內(nèi)部壓力的穩(wěn)定，并且未參與反應(yīng)的氫氣直接排放不僅造成資源浪費(fèi)，還可能帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

在閉端模式中，氫氣經(jīng)儲(chǔ)氫罐釋放后，經(jīng)過減壓閥、比例閥，進(jìn)入燃料電池電堆，但是由于燃料電池電堆的出口被封閉，氮?dú)夂退衷诖颂幏e聚，因此必須在電堆出口處設(shè)置排氣閥以保證聚集氣體排出。此外，為保證進(jìn)入電堆時(shí)氫氣的濕度在合理范圍內(nèi)，在燃料電池電堆之前還必須設(shè)置一個(gè)氫氣增濕裝置。

循環(huán)模式與其他模式不同的是：在燃料電池電池堆后設(shè)置汽水分離器，用以于燥流過燃料電池電堆但未反應(yīng)的氫氣，干燥氫氣經(jīng)過循環(huán)裝置后，又流至燃料電池堆的入口處，實(shí)現(xiàn)氫氣的再次利用。循環(huán)模式不僅解決了氫氣浪費(fèi)問題，實(shí)現(xiàn)較大的氫氣過量比，還能夠充分利用電池內(nèi)部生成的水實(shí)現(xiàn)自增濕。但是引入循環(huán)裝置增加了系統(tǒng)的成本和系統(tǒng)控制的復(fù)雜度。

本文中對循環(huán)模式進(jìn)行改進(jìn)，氫氣流動(dòng)方向與循環(huán)模式相同，在原有基礎(chǔ)上添加排氣閥和控制器，排氣閥定時(shí)開啟以排出燃料電池堆中積累的氮?dú)夂退魵猓刂破髫?fù)責(zé)根據(jù)負(fù)載電流反饋調(diào)節(jié)比例閥開度、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣閥排氣時(shí)間和周期。改進(jìn)后的燃料電池供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

1.2 電堆模型

本文中基于一臺(tái)功率為150 kW的燃料電池電堆進(jìn)行建模，將整個(gè)電堆內(nèi)部視為一個(gè)各物理場均勻分布的整體。整個(gè)燃料電池電堆模型包括電壓、陰陽極流動(dòng)、氮?dú)鉂B透、水跨膜運(yùn)輸和熱傳輸計(jì)算。

單電池電壓

Ufc=U－Uact－Uohm－Uconc，

式中：U為可逆電壓，V，表示反應(yīng)完全可逆時(shí)，理論上能達(dá)到的最大電壓；Uact為活化損失電壓，V，由發(fā)生反應(yīng)需要的活化能決定；Uohm為歐姆損失電壓，V，與燃料電池內(nèi)部導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能有關(guān)；Uconc為濃差損失，V，由反應(yīng)場所中反應(yīng)物的濃度分布不均導(dǎo)致，電流密度越高，濃差損失越大。

整個(gè)電堆的電壓

Ust=nUfc，

式中n為電堆堆疊的數(shù)量。

燃料電池中包含氫氣、氧氣、氮?dú)夂退?種主要流體。陽極的氫氣和陰極的氧氣在膜電極處以反應(yīng)的方式消耗，在陰極生成氣態(tài)水。液態(tài)水在電場電滲拖拽和濃度差滲透的雙重作用下進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，一定工況下陰、陽極中水達(dá)到平衡。陰極供入的氣體為空氣，空氣中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)高于75%，燃料電堆運(yùn)行時(shí)，陰極的氮?dú)庠跐舛炔畹淖饔孟驴缒み\(yùn)輸至陽極，并在陽極循環(huán)累積。

燃料電池中各物質(zhì)的傳質(zhì)過程使用質(zhì)量守恒定律進(jìn)行描述，建立各組分的平衡方程：

dm（H2）dt=qm，in（H2）－qm，out（H2）－qm，react（H2），

dm（O2）dt=qm，in（O2）－qm，out（O2）－qm，react（O2），

dm（N2）dt=qm，in（N2）－qm，out（N2）± qm，osm（N2），

dmwdt=qm，v，in－qm，v，outqm，v，mem（qm，v，react），

式中：m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg; qm為物質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；H2、O2、N2、v、w分別表示氫氣、氧氣、氮?dú)狻⑺魵夂退琲n、out分別表示物質(zhì)的流入和流出，react表示參與反應(yīng)，osm表示跨膜運(yùn)輸，mem表示質(zhì)子交換膜；t為時(shí)間，s。

燃料電池運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大部分熱量被冷卻液帶走，小部分被陰、陽極氣體帶走，極小一部分以輻射形式在環(huán)境中流失。按照熱流量流入為正，流出為負(fù)，燃料電池電堆熱量的平衡方程為：

cfcdTfcdt=Pchem－Pout－Pliquid－Pflow－Prad，

式中：cfc為電池比熱容，J/（kg·K）；Tfc為電堆溫度，K；Pchem為化學(xué)反應(yīng)熱功率，W；Pout為電池輸出功率，W；Pliquid為液態(tài)水吸收熱量功率，W；Pflow為流體顯熱功率，W；Prad為電池向環(huán)境輻射熱功率， W。

1.3 輔助系統(tǒng)模型

氫燃料電池的輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)供應(yīng)氫氣、氧氣以及冷卻水，涉及的部件相當(dāng)多。為了簡化計(jì)算過程并提高計(jì)算速度，本文中對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件建模進(jìn)行了簡化處理。將儲(chǔ)氫罐和減壓閥視為一個(gè)整體，內(nèi)部為恒溫恒壓的氫氣環(huán)境； 在燃料電池電堆中，反應(yīng)產(chǎn)生的水分通過汽水分離器被分離出來，并通過專門的排水裝置排出。由于排水裝置長時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，其對系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)，因此可以假設(shè)循環(huán)流體中不存在液態(tài)水；燃料電池系統(tǒng)內(nèi)中冷器和散熱器負(fù)責(zé)將相應(yīng)的流體冷卻至適宜溫度，假設(shè)兩者均為正常工作，能夠?qū)⒘黧w冷卻到目標(biāo)溫度；燃料電池中比例閥、空壓機(jī)、增濕器等零件的建模過程，均認(rèn)為是最佳工作狀態(tài)下進(jìn)行建模。

2 模型驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

進(jìn)行燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)臺(tái)架如圖3所示，圖中主要部件有空氣濾清器和氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，黑色管道負(fù)責(zé)輸送氫氣和空氣，白色管道用于冷卻液的流動(dòng)，橙色管道是用于信號傳輸?shù)木€路。

該測試系統(tǒng)涵蓋了電堆單元、氫氣供應(yīng)單元、空氣供應(yīng)單元、水熱管理單元、控制單元、電子負(fù)載以及輔助電源模塊，該平臺(tái)能夠?yàn)殡姸压?yīng)所需的氫氣和空氣，為輔助系統(tǒng)的組件提供必要的電力供應(yīng)，發(fā)送啟動(dòng)和停止指令，設(shè)定功率信號，并實(shí)時(shí)監(jiān)控電堆的電壓和工作溫度等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)方案

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)后，電流在80～580 A內(nèi)依次增加，其他條件不變，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以后，記錄不同電流下燃料電池平均單體電壓、功率密度、氫氣流量、冷卻口入口溫度、冷卻口出口溫度。

試驗(yàn)中主要的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氫氣流量計(jì)、壓力傳感器，具體量程與精度如表1所示。

2.3 模型準(zhǔn)確性

在相同工況下對模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算出的極化曲線、氫氣體積流量、冷卻液入口溫度、冷卻液出口溫度與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示，圖4c）中Ut、Us分別為試驗(yàn)與仿真的平均單體電壓。

由圖4可知：功率密度、冷卻液入口溫度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；在低電流密度下平均單體電壓仿真結(jié)果略低于試驗(yàn)結(jié)果，在中電流密度下略高于試驗(yàn)結(jié)果，在高電流密度下又略低于試驗(yàn)結(jié)果；冷卻液出口溫度僅在低電流時(shí)出現(xiàn)了偏差，中高電流時(shí)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

總體來說，仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的趨勢基本一致，低電流時(shí)的冷卻出口溫度的相對偏差較大，但由于氫燃料電池電堆一般工作在中高電流下，因此低電流時(shí)的偏差可以忽略，其余參數(shù)的相對偏差均在6%以內(nèi)，表明模型具有較高準(zhǔn)確性，能精確預(yù)測燃料電池系統(tǒng)不同工況下的工作狀態(tài)。

3 供氫系統(tǒng)仿真分析

3.1 影響因素分析

比例閥開度、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣閥開啟周期和時(shí)間（即排氣周期與時(shí)間）是供氫系統(tǒng)控制的關(guān)鍵因素。比例閥開度隨負(fù)載電流變化而變化，氫氣流量隨比例閥開度增大而增大。氫氣壓力和氫氣過量比隨循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，但循環(huán)泵功耗也隨之增大，降低整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率；循環(huán)泵轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力和過量比減小，電池輸出功率下降。排氣周期和排氣時(shí)間對系統(tǒng)中氮?dú)獾暮亢蜌怏w壓力有很大的影響，排氣周期長、排氣時(shí)間短，燃料電池中氮?dú)怆y以及時(shí)排出，燃料電池輸出功率下降；排氣周期短、排氣時(shí)間長又造成內(nèi)部壓力損失嚴(yán)重，氫氣泄漏，浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，應(yīng)尋找合適的策略對比例閥開度、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣周期與時(shí)間進(jìn)行控制，能兼顧氫氣過量比、輔助系統(tǒng)功耗、氫氣額外損失、內(nèi)部壓力，使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下均具有較高的輸出功率。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為以較少的試驗(yàn)次數(shù)，全面分析循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣閥開啟周期和時(shí)間對燃料電池各狀態(tài)參數(shù)的影響，采用正交試驗(yàn)法構(gòu)建三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。循環(huán)泵轉(zhuǎn)速選取2 500、3 000、3 500 r/min，排氣閥開啟時(shí)間選取0.5、1.0、1.5 s，開啟周期選取8、10、20 s。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

3.3 結(jié)果分析

仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，9組方案的變化趨勢基本一致，以方案5為例，不同負(fù)載電流下氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)變化如圖5所示。由圖5可知：排氣閥開關(guān)前、后氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)、排氣閥門開關(guān)對應(yīng)的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)差值均呈現(xiàn)相同的趨勢；在低電流區(qū)間，三者隨電流增大呈現(xiàn)快速上升的趨勢；在中電流區(qū)間，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)開始出現(xiàn)波動(dòng)；在高電流區(qū)間，波動(dòng)現(xiàn)象消失，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)基本和電流呈正比。

分別對電堆負(fù)載為20%、60%、100% 3個(gè)工況的參數(shù)特性進(jìn)行分析，3個(gè)工況對應(yīng)的負(fù)載電流分別為105、350、595 A。3個(gè)工況下不同排氣周期對應(yīng)的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)如圖6所示。由圖6可知：排氣周期為8 s時(shí)，電池內(nèi)部積累的氮?dú)廨^少，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨排氣時(shí)間增大而下降，排氣時(shí)間對氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)變化影響微弱，考慮到排氣時(shí)間越長，氫氣泄漏也就越多，所以在排氣周期為8 s時(shí)，應(yīng)盡可能減小排氣時(shí)間以減少氫氣泄漏；排氣周期為10 s時(shí)，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨排氣時(shí)間先增大后減小，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)變化最明顯時(shí)排氣效果最佳，因此對應(yīng)排氣時(shí)間為1 s；排氣周期為20 s時(shí)，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨排氣時(shí)間增大而增加，排氣時(shí)間越短氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)變化越小。總的來看，排氣周期小于10 s時(shí)，適當(dāng)減小排氣時(shí)間更有利；排氣周期大于10 s時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大排氣時(shí)間，有利于排出積累的氮?dú)狻?/p>

負(fù)載電流為105 A時(shí)，不同試驗(yàn)方案氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化趨勢如圖7所示。

由圖7可知：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中，從1、4、7組，2、5、8組，3、6、9組進(jìn)行分析，在循環(huán)泵轉(zhuǎn)速相同時(shí)，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)變化較大，說明排氣周期和排氣時(shí)間對陽極氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)影響較大，循環(huán)泵轉(zhuǎn)速對氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)無影響；從1、6、8組，2、4、9組和3、5、7組來看，進(jìn)入燃料電池電堆后的氣體經(jīng)排氣后，在相同排氣周期下，氣體中的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨著排氣時(shí)間的增加而降低；從1、5、9組，2、6、7組，3、4、8組進(jìn)行分析，在相同排氣時(shí)間下，經(jīng)排氣后的氣體中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨排氣周期的減小而降低。

陽極氫氣體積流量與負(fù)載電流的關(guān)系如圖8所示，氫氣過量比和負(fù)載電流之間的關(guān)系如圖9所示。由圖8可知：排氣閥門開、關(guān)時(shí)，氫氣體積流量均隨負(fù)載電流增大而線性增大。排氣閥開啟前，氮?dú)庠陔姵刂蟹e累，排氣閥開啟后，氮?dú)馀懦觯瑑?chǔ)氫罐和循環(huán)系統(tǒng)的氫氣共同流入陽極，氫氣流量增大。由圖9可知：排氣閥門關(guān)閉且低負(fù)載電流下，氫氣反應(yīng)速度較慢，陽極壓力依靠氫氣維持，此時(shí)氫氣過量比較高；負(fù)載電流逐漸增大，反應(yīng)消耗的氫氣增多，氫氣過量比迅速降低；當(dāng)負(fù)載電流增大到200 A，氫氣過量比減小速度趨于平緩；排氣閥門打開，尾氣排出，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)下降，為了維持陽極壓力，進(jìn)氣流量增加，氫氣過量比也有所增大。

3種工況下電堆輸出電壓和陽極壓力隨時(shí)間的變化如圖10所示。由圖10可知：模型運(yùn)行50 s后，不同電流負(fù)載下的電堆輸出電壓和陽極壓力不再波動(dòng)，趨于定值，此時(shí)可以認(rèn)為模型達(dá)到了穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。這表明在排氣周期小于20 s、排氣時(shí)間小于1.5 s時(shí)，電堆的電壓和陽極壓力將在一定時(shí)間后維持在一個(gè)穩(wěn)態(tài)值附近。

4 結(jié)論

基于改進(jìn)后的循環(huán)式供氫系統(tǒng)，分析了供氫系統(tǒng)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、排氣周期、排氣時(shí)間、負(fù)載電流等參數(shù)對電堆特性的影響，得到以下結(jié)論。

1）在低負(fù)載電流下，陽極氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)較小，隨負(fù)載電流增加，陽極氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)增大；在中電流區(qū)間，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)開始出現(xiàn)波動(dòng)；在高電流區(qū)間，波動(dòng)現(xiàn)象消失，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)基本和電流呈正比。

2）當(dāng)排氣周期小于10 s時(shí)，排氣時(shí)間應(yīng)適當(dāng)減小，減少氫氣浪費(fèi)；當(dāng)排氣周期大于20 s時(shí)，排氣時(shí)間應(yīng)適當(dāng)增大，保證陽極累積氮?dú)饧皶r(shí)排出。

3）陽極氫氣的流量隨負(fù)載電流增大而增大，兩者呈線性關(guān)系；氫氣過量比隨負(fù)載電流增大而減小，低電流負(fù)載下，氫氣過量比迅速減小；在中高電流負(fù)載下，氫氣過量比減小速率趨于平緩。

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Design and analysis of hydrogen supply system for a fuel cell engine

LIU Liming1， REN Chongchong2， LIU Min2， WANG Guihua1，

BAI Shuzhan^1*， LI Guoxiang1

1. School of Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：Analyze the characteristics of three hydrogen supply system layouts： circulation， closed-loop， and circulation. Based on a hydrogen fuel cell stack with a power of 150 kW， the layout scheme of the circulation hydrogen supply system is improved， a simulation model of the fuel cell engine system is built， and orthogonal experimental design method is used to simulate and analyze nine different battery working states. The effects of the rotational speed of the circulation pump， exhaust cycle， and exhaust time on the performance of the fuel cell system are investigated. The simulation results show that the volume fraction of nitrogen at the anode of the fuel cell increases with the increase of current; the rotational speed of the circulating pump has no effect on the volume fraction of nitrogen gas in the anode of the fuel cell stack; when the exhaust cycle is less than 10 s， the exhaust duration should be appropriately reduced; when the exhaust cycle is greater than 20 s， the exhaust duration should be appropriately increased; the volume flow rate of anode hydrogen increases with the increase of current， while the excess ratio of hydrogen decreases with the increase of current.

Keywords：hydrogen fuel cell; hydrogen recirculation system; anode; simulation

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）