低压PEMFC系统设计与仿真验证
发布时间：2021-02-11 15:48
以一型发电功率大于15 kW的质子交换膜氢燃料电池系统开发为例,详细介绍了低压质子交换膜氢燃料电池系统总体设计理念,给出了空气供给、氢气供给、冷却散热三个关键辅助子系统的零部件匹配设计方法和选型依据。采用验证过的系统仿真模型对该15 kW工程样机的系统效率和输出功率进行了仿真预测,计算结果表明该系统性能指标满足预期设计要求。
【文章来源】：电源技术. 2020,44(08)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１?低压ＰＥＭＦＣ发电系统原理图??却系统的作用是将电化学反应产生的热量从电堆内部带走，??保持燃料电池电堆在适宜的温度范围内工作
电堆厂商提供的实测数据对比如图３??所示。??１．０??１．２Ｓ拟合??１．２５实验??１．５０拟合??１．Ｓ０实验??０．８??１．７Ｓ拟合??１．７Ｓ实验??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??图３?电堆极化曲线计算值与实测值对比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??图５?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－功率曲线??Ｉ／Ａ??图６?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－效率曲线??仿真结果与实测结果对比表明，该电堆仿真模型得到的??单片电压误差小于１５?ｍＶ。只是在高压时，拟合结果相对实验??数据偏高，这是因为一般而言，高压下的燃料电池阴极会有液??态水生成，阻碍气体扩散，造成一定的传质损失。而且本次低??压ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作压力进行匹配??设计，因此该仿真模型满足工程设计的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系统仿真结果分析??采用上述通过电堆极化曲线数据校核过的低压ＰＥＭＦＣ??系统仿真模型，对某型额定发电功率１５?ｋＷ，电堆操作压力不??大于１．２５ｘ?１Ｃ?ｐａ的低压ＰＥＭＦＣ系统设计方案进行了系统??性能仿真。??仿真结果如图４？６，显示在标定工况点（系统输出电流??１５５?Ａ）时，电堆功率为１９．４?ｋＷ，系统输出１７．６?ｋＷ，满足為１５??ｋＷ技术指标要求。电堆功率最大可以达到２１?ｋＷ，系统功率??最大可以达到１９?ｋＷ，均出现在１９０?Ａ电流附近。当电堆电流??Ｉ／Ａ??图４?电堆输出电流－功率曲线??大于１９０?Ａ
部件的技术参数。其中电堆模型中一些未知参数，??如气体扩散层厚度、质子交换膜厚度、交换电流密度等，可利??用电堆所给测试数据拟合出这三个参数。之后将基于拟合出??的数据，进而仿真系统在阴极压力的功率、效率，并进行计算??分析，预测系统性能。??３．２?ＰＥＭＦＣ系统仿真模型验证??采用该ＭＡＴＬＡＢ－Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型，对电堆在１．２５?ｘ?１?〇５、??１．５〇ｘ?１〇５和１．７５ｘ?ｌ（ＦＰａ操作压力下的极化性能进行了仿真??计算。仿真计算结果与电堆厂商提供的实测数据对比如图３??所示。??１．０??１．２Ｓ拟合??１．２５实验??１．５０拟合??１．Ｓ０实验??０．８??１．７Ｓ拟合??１．７Ｓ实验??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??图３?电堆极化曲线计算值与实测值对比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??图５?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－功率曲线??Ｉ／Ａ??图６?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－效率曲线??仿真结果与实测结果对比表明，该电堆仿真模型得到的??单片电压误差小于１５?ｍＶ。只是在高压时，拟合结果相对实验??数据偏高，这是因为一般而言，高压下的燃料电池阴极会有液??态水生成，阻碍气体扩散，造成一定的传质损失。而且本次低??压ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作压力进行匹配??设计，因此该仿真模型满足工程设计的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系统仿真结果分析??采用上述通过电堆极化曲线数据校核过的低压ＰＥＭＦＣ??系统仿真
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池客车动力系统建模与能量管理策略研究[J]. 王哲,谢怡,孙维,臧鹏飞. 同济大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望[J]. 南泽群,许思传,章道彪,刘文熙. 电源技术. 2016(08)
[3]45kW质子交换膜燃料电池发动机建模与仿真[J]. 高昆鹏,章桐,黄晨东,周苏. 同济大学学报(自然科学版). 2013(02)
[4]5 kW质子交换膜燃料电池堆之气体与水管理系统[J]. 马小康,郑为阳,方富民. 武汉大学学报(工学版). 2012(06)
[5]车用高压质子交换膜燃料电池系统建模与仿真[J]. 周苏,张传升,陈凤翔. 系统仿真学报. 2011(07)
[6]车用质子交换膜燃料电池系统技术评估与分析[J]. 周苏,纪光霁,陈凤祥,马天才,章桐. 汽车工程. 2010(09)
[7]基于Cruise/Simulink的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真[J]. 谢星,周苏,王廷宏,陈凤祥. 汽车工程. 2010(05)
[8]客车用燃料电池系统开发研究[J]. 卢兰光,诸葛伟林,欧阳明高,张扬军,裴普成. 汽车工程. 2007(04)
本文编号：3029342
【文章来源】：电源技术. 2020,44(08)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１?低压ＰＥＭＦＣ发电系统原理图??却系统的作用是将电化学反应产生的热量从电堆内部带走，??保持燃料电池电堆在适宜的温度范围内工作
电堆厂商提供的实测数据对比如图３??所示。??１．０??１．２Ｓ拟合??１．２５实验??１．５０拟合??１．Ｓ０实验??０．８??１．７Ｓ拟合??１．７Ｓ实验??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??图３?电堆极化曲线计算值与实测值对比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??图５?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－功率曲线??Ｉ／Ａ??图６?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－效率曲线??仿真结果与实测结果对比表明，该电堆仿真模型得到的??单片电压误差小于１５?ｍＶ。只是在高压时，拟合结果相对实验??数据偏高，这是因为一般而言，高压下的燃料电池阴极会有液??态水生成，阻碍气体扩散，造成一定的传质损失。而且本次低??压ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作压力进行匹配??设计，因此该仿真模型满足工程设计的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系统仿真结果分析??采用上述通过电堆极化曲线数据校核过的低压ＰＥＭＦＣ??系统仿真模型，对某型额定发电功率１５?ｋＷ，电堆操作压力不??大于１．２５ｘ?１Ｃ?ｐａ的低压ＰＥＭＦＣ系统设计方案进行了系统??性能仿真。??仿真结果如图４？６，显示在标定工况点（系统输出电流??１５５?Ａ）时，电堆功率为１９．４?ｋＷ，系统输出１７．６?ｋＷ，满足為１５??ｋＷ技术指标要求。电堆功率最大可以达到２１?ｋＷ，系统功率??最大可以达到１９?ｋＷ，均出现在１９０?Ａ电流附近。当电堆电流??Ｉ／Ａ??图４?电堆输出电流－功率曲线??大于１９０?Ａ
部件的技术参数。其中电堆模型中一些未知参数，??如气体扩散层厚度、质子交换膜厚度、交换电流密度等，可利??用电堆所给测试数据拟合出这三个参数。之后将基于拟合出??的数据，进而仿真系统在阴极压力的功率、效率，并进行计算??分析，预测系统性能。??３．２?ＰＥＭＦＣ系统仿真模型验证??采用该ＭＡＴＬＡＢ－Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型，对电堆在１．２５?ｘ?１?〇５、??１．５〇ｘ?１〇５和１．７５ｘ?ｌ（ＦＰａ操作压力下的极化性能进行了仿真??计算。仿真计算结果与电堆厂商提供的实测数据对比如图３??所示。??１．０??１．２Ｓ拟合??１．２５实验??１．５０拟合??１．Ｓ０实验??０．８??１．７Ｓ拟合??１．７Ｓ实验??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??图３?电堆极化曲线计算值与实测值对比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??图５?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－功率曲线??Ｉ／Ａ??图６?ＰＥＭＦＣ系统输出电流－效率曲线??仿真结果与实测结果对比表明，该电堆仿真模型得到的??单片电压误差小于１５?ｍＶ。只是在高压时，拟合结果相对实验??数据偏高，这是因为一般而言，高压下的燃料电池阴极会有液??态水生成，阻碍气体扩散，造成一定的传质损失。而且本次低??压ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作压力进行匹配??设计，因此该仿真模型满足工程设计的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系统仿真结果分析??采用上述通过电堆极化曲线数据校核过的低压ＰＥＭＦＣ??系统仿真
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池客车动力系统建模与能量管理策略研究[J]. 王哲,谢怡,孙维,臧鹏飞. 同济大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望[J]. 南泽群,许思传,章道彪,刘文熙. 电源技术. 2016(08)
[3]45kW质子交换膜燃料电池发动机建模与仿真[J]. 高昆鹏,章桐,黄晨东,周苏. 同济大学学报(自然科学版). 2013(02)
[4]5 kW质子交换膜燃料电池堆之气体与水管理系统[J]. 马小康,郑为阳,方富民. 武汉大学学报(工学版). 2012(06)
[5]车用高压质子交换膜燃料电池系统建模与仿真[J]. 周苏,张传升,陈凤翔. 系统仿真学报. 2011(07)
[6]车用质子交换膜燃料电池系统技术评估与分析[J]. 周苏,纪光霁,陈凤祥,马天才,章桐. 汽车工程. 2010(09)
[7]基于Cruise/Simulink的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真[J]. 谢星,周苏,王廷宏,陈凤祥. 汽车工程. 2010(05)
[8]客车用燃料电池系统开发研究[J]. 卢兰光,诸葛伟林,欧阳明高,张扬军,裴普成. 汽车工程. 2007(04)
本文编号：3029342
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