CN110311159B - 一种确定燃料电池系统增压方案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定燃料电池系统增压方案的方法，属于燃料电池系统领域，解决了现有增压方案选择依赖于实验测试且工作量大的问题。确定方法为：获取燃料电池堆标准大气压下的工作电压；恒定温度下对燃料电池堆多次增压，得到每次增压后燃料电池堆的工作电压；利用增压后的工作电压确定燃料电池堆的功率，获得空压机的功耗；利用燃料电池堆的功率和空压机的功耗，得到每次增压后燃料电池系统的净输出效率；根据净输出效率，得到增压与燃料电池系统净输出效率提升幅度的关系，确定最佳增压方案。本发明不依赖于实验数据，解决了现有技术工作量大的问题，且适用于所有燃料电池系统，通用性强。

Description

一种确定燃料电池系统增压方案的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统领域，尤其涉及一种确定燃料电池系统增压方案的方法。

背景技术

近五年来，随着燃料电池车及小型热电联产项目的推广，燃料电池产业取得长足发展。燃料电池以及燃料电池系统的研究已不再聚焦于性能的提升，降成本日渐成为主流。空压机是系统成本的最敏感因素。

当前空压机与燃料电池匹配性差的现实造成空压机重量大、功耗高，因此组成燃料电池系统之后增压方案能否提高系统能量效率需要进一步论证。不同增压幅度下空压机成本差异巨大，综合考虑能量密度、成本、系统控制等因素，更应该审慎选择增压方案。因此，需要提出一种针对不同燃料电池堆进行增压方案选择的方法，用以指导高效率燃料电池系统设计。

常见空压机分为离心式和容积式，二者工作特性差异巨大。离心式效率高，但压比-流量曲线较软；容积式效率相对较低，但压比-流量曲线较硬。当前，计算系统净输出效率需要对空压机进行实验测试，以取得包括压比、流量、转速、空压机功耗、效率、温度等参数在内的空压机静态特性曲线，即MAP图。这一方法实验工作量大，不利于增压方案的先期选择、部件选型、及系统的初期设计。

现有技术存在以下缺点：一是计算系统净输出效率需要对空压机进行实验测试，工作量大，不利于增压方案的先期选择、部件选型、及系统的初期设计；二是通用性差，不利于推广应用。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种确定燃料电池系统增压方案的方法，用以解决现有燃料电池系统增压方案依赖于实验数据、工作量大且不利于通用化推广的问题。

本发明提供了一种确定燃料电池系统增压方案的方法，具体包括以下步骤：获取燃料电池堆标准大气压下的工作电压V_origin；恒定温度下对燃料电池堆多次增压，得到每次增压后燃料电池堆的工作电压V_fc；利用工作电压V_fc确定燃料电池堆的功率P_fc，以获得空压机的功耗P_cp；利用燃料电池堆的功率P_fc和空压机的功耗P_cp，得到每次增压后燃料电池系统的净输出效率η_net，燃料电池系统包括燃料电池堆和空压机；根据净输出效率η_net，得到增压与燃料电池系统净输出效率提升幅度的关系，确定最佳增压方案。

进一步的，恒定温度下，燃料电池堆工作气压从标准大气压1.0bar增加到pbar后，通过如下公式获得燃料电池堆的工作电压V_fc：

V_fc＝V_origin+Δη_act+Δη_mt

其中，p为燃料电池堆的实际工作气压，Δη_act为增压引起的活化过电势的改变量，Δη_mt为增压引起的传质过电势的改变量。

进一步的，通过下述流程获得增压后引起的活化过电势的改变量Δη_act：

根据如下公式确定燃料电池堆的活化过电势：

其中，j为工作电流密度，j₀交换电流密度，是温度T和实际工作气压p的函数，R为气体常数，α为电荷传递系数，F为法拉第常数；

根据活化过电势得到活化过电势随实际工作气压的变化，具体形式为：

根据活化过电势随工作气压的变化确定活化过电势随实际工作气压变化的改变量：

Δη_act＝∫η_act|_T·dp。

进一步的，根据燃料电池堆实际的工作气压p、吉布斯自由能G以及参考交换电流密度

确定交换电流密度j₀，具体表达式为：

其中，A为催化剂表面积，L为铂载量，γ为工作气压对交换电流密度的影响因子，p^ref为参考工作气压，T^ref为参考工作温度；

根据上述交换电流密度j₀确定交换电流密度随实际工作气压的变化，具体表达式为：

进一步的，通过下述流程获得增压后引起的传质过电势的改变量Δη_mt：

通过如下公式确定增压后引起的传质过程的电压损失，具体形式为：

其中，n_e为1mol反应传递的电子数，j_L极限电流密度；

根据增压后引起的传质过程的电压损失，确定传质过程中电压损失随实际工作气压的变化，具体形式为：

根据传质过程中电压损失随实际工作气压的变化确定传质过电势随实际工作气压变化的改变量，具体表达式为：

Δη_mt＝∫η_mt|_T·dp。

进一步的，根据如下公式确定增压后燃料电池系统的净输出效率：

其中，P_cp为空压机消耗的功率，

为氢氧反应生成液态水的总焓变，λ_H2为氢气过量系数。

进一步的，通过如下公式确定空压机消耗的功率P_cp：

其中，k为绝热指数，π为空压机出口总压与进口总压的比值，η_cp为空压机的效率，Q_air为空压机出口空气流量，T_in为空压机进口的空气温度。

进一步的，通过如下公式确定所述氢氧反应生成液态水的总焓变Δ^_h，具体表达式如下：

其中，Q_H2为氢气流量。

进一步的，通过燃料电池堆的工作电压V_fc和功率P_fc确定空压机出口空气流量Q_air和氢气流量Q_H2，具体表达式为：

进一步的，通过将多次增压后燃料电池系统的净输出效率与标准大气压下的净输出效率的比较，获得增压与燃料电池系统的净输出效率提升幅度的关系，将对应净输出效率提升幅度最大的增压方案确定为最佳增压方案。

上述技术方案的有益效果如下：

1、根据工作电流、工作电压以及气压增幅可以直接计算得到燃料电池系统的净输出效率，通过净输出效率提升幅度与增压之间的关系，确定最佳增压方案，适用于所有的空压机，通用性强。

2、不依赖于实验数据，无需针对特定的空压机进行MAP实验测试，规避了传统方法实验工作量大的问题，更加有利于增压方案的先期选择、部件选型、及系统的初期设计。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为确定燃料电池堆增压方案的流程示意图

图2不同压力增幅、原始工作电压、相对工作电流时30kW燃料电池系统净输出效率的变化图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种确定燃料电池系统增压方案的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：获取燃料电池堆标准大气压下的工作电压V_origin；恒定温度下对燃料电池堆多次增压，得到每次增压后燃料电池堆的工作电压V_fc；利用工作电压V_fc确定燃料电池堆的功率P_fc，以获得空压机的功耗P_cp；利用燃料电池堆的功率P_fc和空压机的功耗P_cp，得到每次增压后燃料电池系统的净输出效率η_net，燃料电池系统包括燃料电池堆和空压机；根据净输出效率η_net，得到增压与燃料电池系统净输出效率提升幅度的关系，确定最佳增压方案。

本领域技术人员应当能够理解的是，对于上述增压指的是增加燃料电池系统的工作气压；对于不同的燃料电池堆，其标准大气压下的工作电压V_origin是可以不同的。

在恒定温度下，将燃料电池堆工作气压从标准大气压1.0bar增加到pbar后，通过如下公式获得燃料电池堆的工作电压V_fc：

V_fc＝V_origin+Δη_act+Δη_mt

其中，p为燃料电池堆的实际工作气压即增压后的气压，Δη_act为增压引起的活化过电势的改变量，Δη_mt为增压引起的传质过电势的改变量。

具体的，可以通过下述流程获得增压后引起的活化过电势的改变量Δη_act：

首先，根据如下公式确定燃料电池堆的活化过电势：

其中，j为工作电流密度，j₀交换电流密度，是温度T和实际工作气压p的函数，R为气体常数，α为电荷传递系数，F为法拉第常数；

其次，根据活化过电势得到活化过电势随实际工作气压的变化，具体形式为：

最后，根据活化过电势随工作气压的变化确定活化过电势随实际工作气压变化的改变量：

Δη_act＝∫η_act|_T·dp。

进一步的，根据燃料电池堆实际的工作气压p、吉布斯自由能G以及参考交换电流密度

确定交换电流密度j₀，具体表达式为：

其中，A为催化剂表面积，L为铂载量，γ为工作气压对交换电流密度的影响因子，p^ref为参考工作气压，T^ref为参考工作温度；

根据上述交换电流密度j₀确定交换电流密度随实际工作气压的变化，具体表达式为：

进一步的，通过下述流程获得增压后引起的传质过电势的改变量Δη_mt：

通过如下公式确定增压后引起的传质过程的电压损失，具体形式为：

其中，n_e为1mol反应传递的电子数，j_L极限电流密度；

根据增压后引起的传质过程的电压损失，确定传质过程中电压损失随实际工作气压的变化，具体形式为：

根据传质过程中电压损失随实际工作气压的变化确定传质过电势随实际工作气压变化的改变量，具体表达式为：

Δη_mt＝∫η_mt|_T·dp。

进一步的，根据如下公式确定增压后燃料电池系统的净输出效率：

其中，P_cp为空压机消耗的功率，

为氢氧反应生成液态水的总焓变，λ_H2为氢气过量系数。

上式中，燃料电池堆的功率与空压机消耗的功率的差值即为燃料电池系统的净输出功率。

进一步的，通过如下公式确定空压机消耗的功率P_cp：

其中，k为绝热指数，π为空压机出口总压与进口总压的比值，η_cp为已知的空压机的效率，Q_air为空压机出口空气流量，T_in为空压机进口的空气温度。

进一步的，通过如下公式确定所述氢氧反应生成液态水的总焓变Δ^_h，具体表达式如下：

其中，Q_H2为氢气流量。

进一步的，通过燃料电池堆的工作电压V_fc和功率P_fc确定空压机出口空气流量Q_air和氢气流量Q_H2，具体表达式为：

进一步的，通过将多次增压后燃料电池系统的净输出效率与标准大气压下的净输出效率的比较，获得增压与燃料电池系统的净输出效率提升幅度的关系，将对应净输出效率提升幅度最大的增压方案确定为最佳增压方案。

对于不同的燃料电池堆，其工作电流密度j和极限电流密度j_L均为不同的，为了便于通用化的比较，将燃料电池堆工作电流密度j和极限电流密度j_L的比值定义为相对工作电流j_rel，将燃料电池堆的实际工作气压p bar偏离常规大气压1.0bar的百分比定义为相对工作气压p_rel，具体形式为：

两者在图2的燃料电池系统的净输出效率图中，作为自变量。

图2是根据上述确定燃料电池系统增压方案的方法在30kW系统上得出的不同增压幅度、不同原始工作电压及不同相对工作电流下系统能量效率的变化，其中，相对工作电流反映膜电极性能。横坐标原始工作电压是燃料电池堆增压前标准大气压1.0bar下的工作电压，横坐标压力增幅是进气压力的增加幅度，纵坐标为系统净输出效率(高热值效率，低热值效率约是其1.2倍)。从图中可以看出，增大相对工作电流有助于提升系统效率，增大原始工作电压比进气增压得到更多的效率提升。从进气增压角度看，小电流(相对工作电流小于44％)时增压无助于效率的提升；相对工作电流较大时，效率随着增压幅度的增大而提升，但增压到一定程度后效率提升不明显。所以，若主要考虑水管理问题使得燃料电池只能工作于低电流区时，从效率提升的角度并不建议系统增压；当然，此时也可以提升工作电压，但这需要较高性能的催化剂、碳纸、膜电极加工工艺、甚至更合理的双极板设计。若不考虑水管理问题，同时膜电极性能较为一般，那么增压不大于200％(即压比最高3.0)足以显著提升效率。

本发明实施例中的确定燃料电池系统增压方案的方法，对燃料电池堆多次增压，基于燃料电池堆的原始工作电压、工作电流得到燃料电池系统的净输出效率，并与标准大气压下的净输出效率比较，确定最佳增压方案。本方法一方面不依赖于实验数据，规避了传统方法进行试验测试工作量大的问题，可快速确定增压方案，很大程度上减少了燃料电池系统初期设计的工作量；另一方面，本方法适用于所有的空压机，有利于通用化推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取燃料电池堆标准大气压下的工作电压V_origin；

恒定温度下对燃料电池堆多次增压，得到每次增压后燃料电池堆的工作电压V_fc，具体如下：

恒定温度下，燃料电池堆工作气压从标准大气压1.0bar增加到p bar后，通过如下公式获得所述燃料电池堆的工作电压V_fc：

其中，p为燃料电池堆的实际工作气压，Δη_act为增压引起的活化过电势的改变量，Δη_mt为增压引起的传质过电势的改变量；

利用所述工作电压V_fc确定燃料电池堆的功率P_fc，以获得空压机的功耗P_cp：

其中，k为绝热指数，π为空压机出口总压与进口总压的比值，η_cp为空压机的效率，Q_air为空压机出口空气流量，T_in为空压机进口的空气温度；

利用所述燃料电池堆的功率P_fc和空压机的功耗P_cp，得到每次增压后燃料电池系统的净输出效率η_net，所述燃料电池系统包括所述燃料电池堆和所述空压机；

其中，P_cp为空压机消耗的功率，

为氢氧反应生成液态水的总焓变，λ_H2为氢气过量系数；

根据所述净输出效率η_net，得到增压与所述燃料电池系统净输出效率提升幅度的关系，确定最佳增压方案。

2.根据权利要求1所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，通过下述流程获得所述增压后引起的活化过电势的改变量Δη_act：

根据如下公式确定燃料电池堆的活化过电势：

其中，j为工作电流密度，j₀交换电流密度，是温度T和实际工作气压p的函数，R为气体常数，α为电荷传递系数，F为法拉第常数；

根据所述活化过电势得到活化过电势随实际工作气压的变化，具体形式为：

根据所述活化过电势随工作气压的变化确定活化过电势随实际工作气压变化的改变量：

Δη_act＝∫η_act|_T·dp。

3.根据权利要求2所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，根据燃料电池堆实际的工作气压p、吉布斯自由能G以及参考交换电流密度

确定所述交换电流密度j₀，具体表达式为：

其中，A为催化剂表面积，L为铂载量，γ为工作气压对交换电流密度的影响因子，p^ref为参考工作气压，T^ref为参考工作温度；

根据上述交换电流密度j₀确定交换电流密度随实际工作气压的变化，具体表达式为：

4.根据权利要求3所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，通过下述流程获得增压后引起的传质过电势的改变量Δη_mt：

通过如下公式确定增压后引起的传质过程的电压损失，具体形式为：

其中，n_e为1mol反应传递的电子数，j_L极限电流密度；

根据所述增压后引起的传质过程的电压损失，确定传质过程中电压损失随实际工作气压的变化，具体形式为：

根据所述传质过程中电压损失随实际工作气压的变化确定传质过电势随实际工作气压变化的改变量，具体表达式为：

Δη_mt＝∫η_mt|_T·dp。

5.根据权利要求1所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，通过如下公式确定所述氢氧反应生成液态水的总焓变Δ_h，具体表达式如下：

其中，Q_H2为氢气流量。

6.根据权利要求5所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，通过燃料电池堆的工作电压V_fc和功率P_fc确定空压机出口空气流量Q_air和氢气流量Q_H2，具体表达式为：

其中，λ_air为空气过量系数。

7.根据权利要求1所述的一种确定燃料电池系统增压方案的方法，其特征在于，通过将多次增压后燃料电池系统的净输出效率与标准大气压下的净输出效率的比较，获得增压与所述燃料电池系统的净输出效率提升幅度的关系，将对应净输出效率提升幅度最大的增压方案确定为最佳增压方案。

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