氢氧燃料电池系统能量模型与仿真

范 晶 ， 周 蕾

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

氢氧燃料电池系统能量模型与仿真

范 晶 ， 周 蕾

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对氢氧燃料电池系统，从氢能储存、氢能转化、电能消耗和热能利用四个方面出发，建立系统能量参数模型，仿真系统能量参数随运行工况变化曲线，对参数加以预测和评定，从而指导燃料电池系统设计。

燃料电池 能量 仿真 Simulink

0 前言

氢氧燃料电池是一种电化学能源转化装置，它将氢气和氧气化学能经电化学反应方式直接转化为电能和热能以供应能量［1］。其不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高（40%～60%）；环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上［2，4］。

氢氧燃料电池系统的能量储存、转化及输出、电能消耗和热能利用过程的宗旨为提高能量储存密度，充分利用由化学能转化而来的电能和热能，增大电能有效输出。能量储存问题主要针对氢燃料储存；能量转化及输出针对燃料电池将化学能转化为电能和热能的过程，用燃料电池发电效率来衡量化学能转化效率；电能消耗是指辅机用电，直接影响燃料电池系统效率值；热能利用为燃料电池产生热能回收利用过程，可用系统综合能量利用率来衡量氢氧源回收利用热能大小。氢氧燃料电池系统能量原理如图1所示。

1系统能量参数模型

在仿真预测系统能量参数之前，在Matlab/Simulink软件中建立系统能量参数模型，将模型分模块进行封装，保留模块输入输出接口，封装后的仿真模型如图2所示。

2系统能量参数仿真

针对氢氧燃料电池系统的工作特点，按照能量储存、转化、消耗和利用四个步骤，将其运行过程分解为氢能储存、氢能转化、电能消耗和热能利用四部分。氢能储存可采用氢化物储氢或高压氢气瓶储氢方式，储氢量则由充氢量决定；氢能储存存在损耗，主要源至管道内氢气的残留、燃料电池的尾排和启动过程中的吹扫，在开关机过程中损耗较多，且氢气压力越高氢能损耗越多，其计算较为复杂，本文暂不考虑。以下针对氢能转化、电能消耗和热能利用三部分进行计算和仿真，假定系统运行功率范围为25%～75%额定工况，得出系统能量参数随运行工况的变化规律。

2.1氢能转化

氢气所携带的化学能在燃料电池内部通过与氧气发生电化学反应转化成电能和热能。在氢能转化为电能和热能所涉及的相关参数中，系统发电效率、系统耗氢率/耗氧率、系统瞬时产生的热能较为关键，仿真参数随工况的变化曲线。

2.1.1 系统发电效率

系统发电效率为燃料电池输出电能经直流变换器转化后输出的电能功率和有效供应氢能的比值。计算公式为：

其中Pw：系统电能输出，mH2：氢气流量，LHVH2：氢气低热值。系统发电效率随工况变化曲线如图3所示，系统发电效率随功率值增大而减小。

2.1.2系统耗氢率/耗氧率

系统耗氢率、耗氧率是指在某一时刻系统对氢气、氧气的消耗速率，也即氢气或氧气供应速率。系统耗氢率、耗氧率随工况变化曲线分别如图4、图5所示，可见，系统耗氢率、耗氧率随功率值增大而增大。

2.1.3系统产生热能

系统产生热能包括燃料电池生热和直流变换器生热。系统生热功率随工况变化曲线如图 6所示，可见，系统生热功率随功率值增大而增大。

2.2 电能消耗

燃料电池系统在产生电能的同时也会消耗一部分电能，称为辅机功耗，这部分电能消耗通常由外部（如蓄电池组）提供。系统效率是在系统发电效率的基础上考虑辅机功耗的影响。计算公式为：

其中Pa：辅机功耗。在计算出系统辅机功耗的基础上，仿真得出系统效率随工况变化曲线如图7所示。由曲线图可见，系统效率随功率值增大先增大再减小，大约在58%额定工况时系统效率为最大值54.3%，在25%额定工况时系统效率为最低值48.8%。

2.3热能利用和排出

燃料电池所产生的热能中，一部分被回收利用，通过闭式循环分别供给供氢和供氧装置，多余的热能则通过与外部换热带走。热能利用和排出过程中，氢/氧源吸热功率、系统综合能量利用率较为关键，仿真参数随工况的变化曲线。

2.3.1氢/氧源吸热功率

燃料电池所产生热能的一部分被氢、氧源所利用。氢源、氧源吸热功率随工况变化曲线分别如图8、图9所示，可见，氢/氧源吸热功率随功率值增大而增大。

2.3.2 系统综合能量利用率

系统综合能量利用率为系统输出的电能加利用的热能和有效供应氢能的比值。计算公式为：

其中PH2_heat：氢源吸热功率；

PO2_heat：氧源吸热功率。

系统综合能量利用率随工况变化曲线如图10所示，可见，系统综合能量利用率随功率值增大而减小。

3 结论

本文针对氢氧燃料电池系统，从能量储存、转化、消耗和利用四个方面出发，建立系统能量参数模型，仿真得出系统能量参数随运行工况变化曲线，对参数加以预测和评定，从而指导燃料电池系统设计。研究结论为氢氧燃料电池系统研究奠定理论基础，为设计和试验操作提供理论依据。

［1]衣宝廉.燃料电池-原理·技术·应用. 北京化学工业出版社，2003：71-78.

［2]黄镇江，刘凤君.燃料电池及其应用［M］. 电子工业出版社，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]陈全世，朱家琏，田光宇. 先进电动汽车技术［M］. 北京:化学工业出版社，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，高级工程师。研究方向：化学电源。