燃料电池系统热能仿真与能效优化

喻济兵，王 振，范 晶



燃料电池系统热能仿真与能效优化

喻济兵1，王 振2，范 晶

（1. 海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对燃料电池系统，从提高系统总能效的角度出发，建立系统辅助装置循环水温度仿真模型，优化系统散热方式，减小系统对外散热，增大回收利用热能，从而提升燃料电池系统效率。

燃料电池 热能 仿真

0 前言

水下续航力是常规潜艇最重要的战技指标之一，也是常规潜艇作战和水下生存的基础。为了提高常规潜艇的作战效能，长期以来，潜艇设计者一直在探索和研究不依赖空气的推进装置，以增大常规潜艇水下续航力，提高潜艇的隐蔽性和安静性。燃料电池系统是一种电化学能源转化装置，具有能量转换效率高、系统振动和噪声小、反应物清洁、配置机动灵活等优点，是常规潜艇理想的动力方案之一[1,2]。燃料电池系统是热能动态平衡系统，为减小系统热能损耗，可从系统辅助装置循环水设计的角度出发，优化系统散热方式，提高系统总能效。

1 燃料电池系统热能分布

燃料电池系统主要由燃料电池、氢源、氧源、控制以及辅助等子系统组成。氢燃料通过储氢合金储存，氧化剂以液氧方式储存，工作时，储氢合金吸热释放氢气，液氧吸热汽化释放氧气，然后将氢气和氧气输送到燃料电池发电装置，通过两种物质发生电化学反应将化学能转化为电能输出[3,4]。燃料电池发电装置、直流变换装置为放热源，储氢装置、供氧装置为吸热源，具体参数如表1所示。

可见，燃料电池发电装置放热功率大于储氢装置吸热功率和供氧装置吸热功率之和，说明系统在无额外能源供应条件下，热量可满足各关键部件供给需求。通过回收利用燃料电池发电装置热能，用于储氢供氧装置释放氢氧气，可提高系统效率和总能效。

燃料电池系统热量释放与利用分布图如图1所示。

2 燃料电池系统热能仿真与能效优化

2.1燃料电池系统换热方案

为了回收利用燃料电池发电装置释放的热能，设计辅助装置循环水系统如图2所示，燃料电池发电装置释放热能由板式换热器E1交换至储氢供氧装置所在循环水路，通过热水箱水量来调节水路温度；剩余热量由板式换热器E2传递至系统外冷水箱。

根据循环水路设计，可得系统热能平衡公式：

Q= Q +Q(1)

Q= Q + Q+ Q +Q(2)

式中，Q— 燃料电池放热功率；Q— 板换E1换热功率；Q— 燃料电池发电装置水路吸热功率；Q— 板换E2换热功率；Q— 储氢装置吸热功率；Q— 供氧装置吸热功率；Q— 储氢供氧装置水路吸热功率。

系统回收利用的热能ER计算公式如下：

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

系统总能效η定义为在规定的运行条件下，在给定的时间周期内，系统有效利用能量（电能输出和从系统回收热能的总和）与在相同时间周期内系统消耗氢燃料热值的比率，计算公式为[5]：

=(P+E)/m×LHV×100% (4)

式中，P—系统输出功率；m— 氢气质量流量；— 氢气低热值。

2.2燃料电池系统能效优化

为了提高燃料电池系统总能效，从辅助装置循环水角度出发，优化系统散热方式，减小系统对外散热，增大回收利用热能。以储氢供氧装置水路的水温为指示信号，当水温高于设定阈值时，开启板换E2，带走系统热能；板换E2开启一段时间后，当水路水温低于设定阈值时，关闭板换E2，停止换热。以此循环往复。为减小系统对外散热，提高系统能效，需提高循环水温度，且维持在合理的水温范围内。根据电堆设计要求，燃料电池发电装置水路的水温波动范围为65~75℃较为合适；综合考虑储氢供氧装置释放氢氧气和红外特性要求，储氢供氧装置水路水温波动范围为 40~50℃较为合适。

假定循环水初始温度为室温，随着系统运行，循环水温度上升，温升计算公式为：

式中，△—循环水进出口温差；—换热功率；CH2O— 水的比热容；

H2O—水的密度；—循环水流量；— 换热量；—循环水体积。

板式换热器冷热侧水温与两侧流量、传热系数、换热面积相关，满足

式中，h— 板换热侧流量；

c— 板换冷侧流量；

h_in— 热侧进口水温；

h_out— 热侧出口水温；

c_in— 冷侧进口水温；

c_out— 冷侧出口水温；

ex— 逆流对数平均温差；

— 传热系数；

— 板换换热面积。

设定三组阈值如表3所示，仿真水温随时间变化曲线，比较系统总能效优劣。

通过仿真软件，建立循环水温度仿真模型，仿真得到三组水温阈值设定条件下系统循环水温度随时间变化曲线如图3、图4、图5所示。

由三组曲线可以看出，板换E2的开启和关闭影响储氢供氧装置水路水温，使其呈周期性波动，又通过板换E1影响燃料电池发电装置水路水温。通过计算，得到三组散热方式对应的系统总能效分别为：76.93%，77.31%和77.38%，可看出第二、三组阈值设定方式使得系统能效较高，但第三组方式使得板换开启频率过高，综合考虑系统总能效和板换开启频率，散热方式2为最佳换热方式。

3 结论

本文从提高燃料电池系统总能效的角度出发，通过系统热能仿真与能效优化分析，建立系统辅助装置循环水温度仿真模型，对水温参数加以预测和评定，为燃料电池系统研究奠定理论基础，并为设计和试验操作提供理论依据。

[1] 王晓武. 国外常规潜艇AIP技术现状及发展趋势分析.舰船科学技术, 2009,31（1）：172-175.

[2] 孙奇虎，张炜等. 常规潜艇燃料电池AIP的方案设计.舰船科学技术, 2010,32（3）：36-39.

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

[4] 黄镇江，刘凤君．燃料电池及其应用[M]. 电子工业出版社, 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

喻济兵(1969-)，男，高级工程师。研究方向：化学电源。