CN112072138A - 适应于冷启动的燃料电池混合电源系统及其建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统及其建模方法，系统增加了阴极空气到阳极的通道、旁通空冷器和加湿器的通道以及加热电阻，建模方法分别建立有供气子系统模型、冷却子系统模型、蓄电池低温模型、燃料电池单体模型和燃料电池电堆模型，燃料电池单体模型考虑了燃料电池低温启动过程中水的生成、相变、冰积累、转移等现象，为模型的准确性提供保障。与现有技术相比，本发明将燃料电池内各个部件分别建模并求解各层之间的传质传热，能够反应电池各层之间的温度分布差异，可以更好的预测燃料电池低温启动过程中的输出性能，提高了模型的准确性和应用价值。

Description

适应于冷启动的燃料电池混合电源系统及其建模方法
技术领域
本发明涉及电化学燃料电池领域，尤其是涉及适应于冷启动的燃料电池混合电源系统及其建模方法。
背景技术
燃料电池冷启动成功的关键因素是电池本身温升速度与冰积累速度的动态比。目前比较主流的冷启动策略主要包含保温、停机吹扫、辅助加热、自启动等方法，停机吹扫可以减少燃料电池启动前电池内部冰的积累，是现在冷启动必不可少的环节，辅助加热和自启动都是利用大量的热量输入使得燃料电池快速升温，不同的是辅助加热是利用蓄电池和加热电阻对电堆进行加热，自启动而是利用燃料电池本身的化学反应产热提高电堆温度。
现在的冷启动方式，不管是停机吹扫还是使用外部电源对燃料电池电堆进行加热，都需要对燃料电池系统进行修改，进一步增加了冷启动控制策略试验的成本。为了缩减冷启动性能提升试错过程的时间和成本，建立适用于燃料电池冷启动过程的燃料电池系统模型是十分有必要的，燃料电池电堆作为燃料电池系统的核心，在冷启动过程中具有复杂的传质传热等现象，是系统模型建模工作的重点和难点。
质子交换膜燃料电池是一个非线性、强耦合、受环境影响比较大的复杂系统，其输出性能涉及流体力学、热力学、电化学等多个领域，其输出特性受到多种因素的影响，尤其是冷启动工况下的输出特性更会受到水的传输和相变的影响。为了研究燃料电池低温情况下的输出特性和启动策略，建立相应的模型必不可少的手段。基于模型的空间尺寸，可以将燃料电池低温仿真模型分为一维、二维、三维模型。一维模型主要对燃料电池厚度方向上进行建模，由于厚度方向是水和反应气体的主要传递方向，所以一维模型可以较为准确的反应电池内的传热传质现象。二维模型比一维模型多考虑一个方向，考虑电池某一切面上的传递与分布，一般用于流道方向的物质传输现象。不管是一维还是二维模型，都是基于三维模型的简化，可以在计算量一定的前提下提供较为准确的仿真结果。三维模型可以准确反应空间范围内的传热传质与分布，可以获得较为准确与全面的仿真结果。但是三维仿真模型需要耗费庞大的计算能力和仿真时间，所以三维模型一般用于单流道单体模型的仿真，分析其内部的传递机理。
燃料电池三维模型由于计算量和仿真时间的限制，建模尺寸和规模受到限制，很难被用于燃料电池冷启动控制策略的优化。
目前，燃料电池低温模型主要是基于有限元商业化软件，并且由于计算量的限制，所建立的模型多为单流道模型，单流道有限元模型可以用来研究燃料电池低温启动过程中的物质传输现象，但是基于单流道模型得到的仿真模型不能延伸到电堆的低温启动性能，而且模型不能考虑燃料电池系统对电堆的实时输入，不能用于燃料电池低温启动控制策略的优化。
为了解决上述问题，一种思路是对燃料电池三维模型进行简化降维，减少模型的计算量。目前电堆的一维模型多是基于有限元商业软件建立，大大减少了电堆模型的计算量，但是由于有限元商业软件与控制策略制定软件之间存在信息传输壁垒，给低温启动控制策略的制定与优化带来较大困难。也有基于MATLAB/SIMULINK建立的集总参数模型，将燃料电池假设为温度均匀的整体考虑燃料电池与外界的热量交换，模型可以用于燃料电池热管理系统的优化与设计，但是低温启动过程中温度是起决定性作用的关键参数，集总参数方法建立的模型与试验数据之间的误差较大，不适用燃料电池低温启动控制策略的制定。
燃料电池一维模型主要针对燃料电池厚度方向上的热传递建模并基于模型分析电池工作参数和结构参数对冷启动性能的影响。一维水热传递模型假设单体内部各层之间连续，对单体内部层与层之间的传热现象进行简化。随着冷启动研究的深入，燃料电池单体内各层之间温度的差异对于三相水的传输与相变的影响愈加重要，因此建立一个能够准确反映冷启动过程中电池单体内各层之间传热传质的一维冷启动模型显得尤为重要。而且目前的一维模型大多基于三维有限元仿真模型简化，模型仿真环境多为有限元仿真软件，只能基于模型简单分析不同工作参数和电池结构参数对冷启动性能的影响，很难用于燃料电池冷启动控制策略的优化，为了使建立的仿真模型能够用于更多冷启动问题的解决，在MATLAB/SIMULINK环境下建立一维分层仿真模型显得更加有意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提升燃料电池混合电源系统冷启动效率的适应于冷启动的燃料电池混合电源系统及其建模方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统，包括燃料电池电堆，该燃料电池电堆分别连接有供氢子系统、供气子系统、蓄电池子系统和冷却子系统，所述供气子系统包括依次连接的空气压缩机、第一交换接口、空气冷却器和加湿器，所述加湿器接入所述燃料电池电堆，所述加湿器与所述燃料电池电堆间的连接子系统连接所述第一交换接口。
进一步地，所述加湿器与所述燃料电池电堆间的连接线路设有第二交换接口，所述供氢子系统包括依次连接的高压氢罐、减压阀、第三交换接口、氢进阀和氢换热器，所述氢换热器接入所述燃料电池电堆，所述第三交换接口连接所述第二交换接口；
当所述燃料电池混合电源系统停机时，通过将所述供气子系统的空气通入所述供氢子系统，实现对所述燃料电池电堆的吹扫。
进一步地，所述冷却子系统包括补水箱、水泵、散热器、电加热器和节温器，所述燃料电池电堆、氢换热器、空气冷却器、散热器、节温器、水泵、补水箱和燃料电池电堆依次连接，所述电加热器的一端连接所述节温器，另一端连接所述空气冷却器。
本发明还提供一种如上所述的一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统的建模方法，用于建立燃料电池混合电源系统模型，所述燃料电池混合电源系统模型设有供气子系统模型、冷却子系统模型、蓄电池低温模型、燃料电池单体模型和燃料电池电堆模型，所述燃料电池电堆模型基于所述燃料电池单体模型构建。
进一步地，所述冷却子系统模型中，所述节温器对所述冷却子系统中冷却液流量分配的表达式为：
Figure BDA0002632645190000031
式中，
Figure BDA0002632645190000032
为分流到散热器的冷却液流量，
Figure BDA0002632645190000033
为分流到双极板的冷却液的流量，k为节温器阀门的开度，
Figure BDA0002632645190000034
为流经节温器的冷却液总流量。
进一步地，所述燃料电池单体模型中，所述燃料电池反应过程中积累的水含量的计算表达式为：
Figure BDA0002632645190000041
式中，
Figure BDA0002632645190000042
为燃料电池反应过程中积累的水含量，
Figure BDA0002632645190000043
是催化层反映生成的水，
Figure BDA0002632645190000044
是通过质子交换膜吸收和扩散走的水含量，
Figure BDA0002632645190000045
是扩散到气体扩散层的水含量。
进一步地，所述燃料电池单体模型中，对低温启动过程中燃料电池内冰积累量的计算表达式为：
Figure BDA0002632645190000046
式中，s0是低温启动前燃料电池内的初始冰体积分数，vice为冰的摩尔质量，t为当前时刻，εCL为催化层孔隙率，δCL为催化层厚度，A为催化层反应面积。
进一步地，所述燃料电池内冰融化过程中，所述冰积累量的计算表达式为：
Figure BDA0002632645190000047
式中，t1为燃料电池催化层温度达到冰点的时刻，
Figure BDA0002632645190000048
为燃料电池反应产热率，
Figure BDA0002632645190000049
为燃料电池热量耗散率，VCL为催化层体积，hsg为水蒸气凝华时的相变潜热。
进一步地，所述燃料电池单体模型中，燃料电池的低温输出电压的计算表达式为：
Ucell＝Enernst+Vact+Vconc+Vohmic
Figure BDA00026326451900000410
Figure BDA00026326451900000411
Figure BDA00026326451900000412
Figure BDA00026326451900000413
Figure BDA00026326451900000414
Figure BDA00026326451900000415
Figure BDA00026326451900000416
式中，Ucell为燃料电池的低温输出电压，Enernst为燃料电池化学反应理想电动势，Vact为燃料电池活化过电势，Vconc为浓差过电势，Vohmic为欧姆过电势，ΔGf为吉布斯自由能变化量，F为法拉第常数，ΔGf 0为标准状态下吉布斯自由能变化量，R为气体常数，Tfc为燃料电池温度，
Figure BDA0002632645190000051
为氢气分压，
Figure BDA0002632645190000052
为氧气分压，
Figure BDA0002632645190000053
为水蒸气分压，sice为催化层中冰的体积分数，slq为催化层中液态水的体积分数，α是传输系数，R是气体常数，Tm是质子交换膜的温度，F是法拉第常数，j*是燃料电池阴阳极催化层反应速率，δCL为催化层厚度，ch为反应气体浓度，cref是参考气体浓度，δGDL为GDL厚度，
Figure BDA0002632645190000054
为GDL内气体扩散系数，δCL为催化层厚度，
Figure BDA0002632645190000055
为催化层内气体扩散系数，
Figure BDA0002632645190000056
为电子阻抗导致的电压损失，
Figure BDA0002632645190000057
为质子阻抗导致的电压损失，I为燃料电池电流，Relec为电子通过集流板的阻抗，Rproton为质子通过质子交换膜的阻抗，Rinternal为燃料电池内部总阻抗。
进一步地，所述燃料电池电堆模型将所述燃料电池电堆的双极板划分为依次设置的阳极气体流道层、阳极双极板层、冷却流道层、阴极双极板层和阴极气体流道层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明燃料电池混合电源系统考虑到低温下空气压缩机中流出的空气的温度不会过高，所以添加了旁通空冷器和加湿器的通道，而且经过空气压缩机的相对高温高压的空气可以作为燃料电池电堆的外部热源输入，加速燃料电池电堆的温升过程。
(2)为了能够满足燃料电池停机吹扫的需求，本发明在燃料电池混合电源系统中添加了阴极空气到阳极的通道。
(3)为了对冷启动过程中的冷却液进行加热，本发明在冷却子系统的小循环中加入了加热电阻以求利用相对高温的冷却液提高电堆的温度。
(4)本发明燃料电池混合电源系统的建模方法中，燃料电池单体模型考虑了燃料电池低温启动过程中水的生成、相变、积累、转移等现象，较为完整的反映了低温启动过程中燃料电池内水的传输现象，为模型的准确性提供保障。
(5)燃料电池电堆分层模型将双极板进行分层划分，可以反映低温启动过程中电堆内各个单体的温度分布，进而能够反映电堆内单体电压分布的不均匀性。
(6)本发明燃料电池混合电源系统的建模方法考虑了燃料电池低温启动过程中水的传输、相变以及冰体积分数对损失电压的影响，使模型物理过程更加完善，而且模型将燃料电池内各个部件分别建模并求解各层之间的传质传热，能够反应电池各层之间的温度分布差异，可以更好的预测燃料电池低温启动过程中的输出性能，提高了模型的准确性和应用价值。
附图说明
图1为本发明燃料电池混合电源系统的结构示意图；
图2为本发明燃料电池混合电源系统低温模型结构示意图；
图3为蓄电池低温模型结构示意图；
图4为燃料电池输出模型结构示意图；
图5为双极板分层模型示意图；
图6为质子交换膜燃料电池单体温度分层模型示意图；
图7为燃料电池电堆温度分层模型示意图；
图8为253.15K启动燃料电池单体仿真输出电压与试验数据对比图；
图9为253.15K启动过程中燃料电池单体各层温度变化图；
图10为270.15K启动燃料电池单体仿真电压与试验数据对比图；
图11为270.15K启动催化层冰体积分数和膜电极温度变化图；
图12为253.15K启动停机前电堆温度分布图(5个单体)；
图13为253.15K不同单体数量电堆平均输出电压仿真结果图；
图中，1、燃料电池电堆，2、供氢子系统，201、高压氢罐，202、减压阀，203、第三交换接口，204、氢进阀，205、氢换热器，3、供气子系统，301、空气压缩机，302、第一交换接口，303、空气冷却器，304、加湿器，305、第二交换接口，4、蓄电池子系统，401、DC-DC变换器，402、蓄电池，403、电动机，5、冷却子系统，501、补水箱，502、水泵，503、节温器，504、散热器，505、电加热器，6、氢出阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统，即燃料电池-蓄电池混合系统，包括燃料电池电堆1，该燃料电池电堆1分别连接有供氢子系统2、供气子系统3、蓄电池子系统4和冷却子系统5。
为了能够满足燃料电池停机吹扫的需求，本实施例在燃料电池-蓄电池混合系统中添加了阴极空气到阳极的通道，并且考虑到低温下空压机中流出的空气的温度不会过高，所以添加了旁通空冷器和加湿器的通道，而且经过空压机的相对高温高压的空气可以作为电堆的外部热源输入，加速电堆的温升过程。
为了对冷启动过程中的冷却液进行加热，本实施例在冷却循环的小循环中加入了加热电阻以求利用相对高温的冷却液提高电堆的温度，加热电阻的能量来源可以是外部电源，或者直接连接蓄电池进行加热。
具体结构如下：
供气子系统3包括依次连接的空气压缩机301、第一交换接口302、空气冷却器303和加湿器304，加湿器304接入燃料电池电堆1，加湿器304与燃料电池电堆1间的连接子系统连接第一交换接口302。
加湿器304与燃料电池电堆1间的连接线路设有第二交换接口305，供氢子系统2包括依次连接的高压氢罐201、减压阀202、第三交换接口203、氢进阀204和氢换热器205，氢换热器205接入燃料电池电堆1，第三交换接口203连接第二交换接口305；第一交换接口302、第二交换接口305和第三交换接口203均为三通阀。
当燃料电池混合电源系统停机时，通过将供气子系统3的空气通入供氢子系统2，实现对燃料电池电堆1的吹扫。
冷却子系统5包括补水箱501、水泵502、散热器504、电加热器505和节温器503，燃料电池电堆1、氢换热器205、空气冷却器303、散热器504、节温器503、水泵502、补水箱501和燃料电池电堆1依次连接，电加热器505的一端连接节温器503，另一端连接空气冷却器303。
电加热器505由外部电源或蓄电池子系统4供电。
蓄电池子系统4包括DC-DC变换器401、蓄电池402和电动机403，燃料电池电堆1通过DC-DC变换器401接入电动机403，蓄电池402接入电动机403。燃料电池电堆1还连接有氢出阀6。
本实施例还提供上述的燃料电池混合电源系统的建模方法，用于建立燃料电池混合电源系统模型，所述燃料电池混合电源系统模型设有供气子系统模型、冷却子系统模型、蓄电池低温模型、燃料电池单体模型和燃料电池电堆模型，所述燃料电池电堆模型基于所述燃料电池单体模型构建。
该建模方法建立的模型包括：供气子系统求解反应气体的流量、温度、压强等参数，冷却子系统求解冷却液流量、温度变化，基于实验数据建立蓄电池模型求解低温输入输出性能，建立燃料电池低温模型求解低温启动过程中的输出性能，并基于目前低温启动策略对系统结构进行修改，适用于燃料电池低温启动策略的仿真与优化。该系统模型结构可以应用于燃料电池低温启动策略的仿真研究。燃料电池作为混合系统中的核心部件，在电池温度达到冰点以上之前其内部的冰会不断并积累，甚至会完全覆盖燃料电池催化层导致电池停机无法完成低温启动。该建模方法考虑了燃料电池低温启动过程中水的传输、相变以及冰体积分数对损失电压的影响，使模型物理过程更加完善，而且模型将燃料电池内各个部件分别建模并求解各层之间的传质传热，能够反应电池各层之间的温度分布差异，可以更好的预测燃料电池低温启动过程中的输出性能，提高了模型的准确性和应用价值。
下面对各模型进行具体描述。
1、供气子系统模型
如图2所示，本实施例针对燃料电池供气子系统中的关键部件和管道进行建模，求解气体状态方程，获取反应气体在供气系统中的温度、湿度、压强等参数变化。
经过空气压缩机之后气体的温度和压强由绝热压缩表示：
Figure BDA0002632645190000081
其中，T1,p1分别是空气压缩机入口气体的温度和压强，T2,p2分别是空气压缩机出口气体的温度和压强。
根据质量守恒方程建立气体供应管道模型如下：
Figure BDA0002632645190000082
其中，Fcp,out是流入阴极气体供应管道的质量流量，Fsp,out是流出阴极气体供应管道的流量，msp是在阴极气体供应管道中积累的气体质量。
气体供应管道压力微分方程为：
Figure BDA0002632645190000083
其中，psp是供应管道的压力，t为时间，Vsp是供应管道容积，Ra是空气气体常数，Tsp是供应管道的温度，γ为空气比热容比，Tcp,out为空气压缩机出口处气体温度，Fsp,out为流出供应管道的气体流量。
经过空气冷却器后反应气体的相对湿度
Figure BDA0002632645190000091
计算方式如下：
Figure BDA0002632645190000092
其中，
Figure BDA0002632645190000093
是常压下空气的相对增湿度，pcl是冷却器内空气的压力，psat为饱和水蒸气压力，Tatm为常压下空气的温度，patm为环境空气的常压，Tcl为冷却器内气体温度。
假设空气流经加湿器后温度不发生变化，水蒸气分压pv,hm的计算公式如下：
Figure BDA0002632645190000094
式中，
Figure BDA0002632645190000095
为加湿器内气体的相对湿度，psat为饱和水蒸气压力，Thm为加湿器内气体温度。
2、冷却子系统模型
冷却子系统由冷却液循环泵、空气冷却器、电堆、节温器和散热器组成，为了适应冷启动的启动策略本文设计的冷却循环添加了电加热器对冷却液进行加热，辅助燃料电池冷启动。模型建立过程中假设冷却液在冷却循环中流量不变。
根据热力学第一定律建立流经空气冷却器温度变化模型如下：
Figure BDA0002632645190000096
式中，ρcool为冷却液密度，Vinc为冷却系统容积，Ccool为冷却液比热容，Tinc为冷却系统内冷却液的温度，
Figure BDA0002632645190000097
为冷却液流量，Tcool,inc,out为离开冷却系统的冷却液温度，Tcool,inc,in为冷却系统入口处冷却液温度，
Figure BDA0002632645190000098
为冷却液和空气之间的换热功率。
反应气体经过氢气热交换器温度变化模型如下：
Figure BDA0002632645190000099
式中，Vex为氢气热交换器容积，Tex为氢气热交换器的温度，Tcool,ex,in为流入热交换器前冷却液的温度，
Figure BDA00026326451900000910
为氢气和冷却液之间的换热功率。
节温器对冷却液流量的分配可以通过以下的函数表达：
Figure BDA00026326451900000911
式中，
Figure BDA00026326451900000912
为分流到散热器的冷却液流量，
Figure BDA00026326451900000913
为分流到双极板的冷却液的流量，k为节温器阀门的开度，
Figure BDA0002632645190000101
为流经节温器的冷却液总流量。
3、蓄电池低温模型
基于某一特定蓄电池的低温试验数据对Rint模型进行修正，模型能够反应蓄电池在不同温度范围内的输入输出性能，例如：蓄电池容量、充放电开路电压、充放电内阻等关键性能参数。模型的输入和输出以及结构如图3所示。
4、燃料电池单体模型
如图4所示，针对燃料电池低温启动过程，本实施例重点考虑了燃料电池低温启动过程中燃料电池的水平衡、热平衡以及水热分布对燃料电池性能输出的影响。
燃料电池低温启动失败的主要原因是低温启动过程中反应产生的水结冰将催化层堵塞导致反应无法进行进而导致输出电压急剧下降，启动失败。本发明建立的模型考虑了燃料电池低温启动过程中水的生成、相变、积累、转移等现象，较为完整的反映了低温启动过程中燃料电池内水的传输现象，为模型的准确性提供保障。燃料电池反应过程中积累的水含量
Figure BDA0002632645190000102
可以通过以下公式表示：
Figure BDA0002632645190000103
其中，
Figure BDA0002632645190000104
是催化层反映生成的水，
Figure BDA0002632645190000105
是通过质子交换膜吸收和扩散走的水含量，
Figure BDA0002632645190000106
是扩散到气体扩散层的水含量。
低温启动过程中燃料电池内冰积累量即冰体积分数可以通过以下公式表示：
Figure BDA0002632645190000107
式中，s0是低温启动前燃料电池内的初始冰体积分数，vice为冰的摩尔质量，t为当前时刻，εCL为催化层孔隙率，δCL为催化层厚度，A为催化层反应面积。
模型不仅包含冰体积分数积累的过程，还对电池温度上升到冰点以上之后的冰融化过程进行建模。如果燃料电池温度能够在催化层被冰完全覆盖之前上升到冰点之上，伴随着电化学反应产生的热量被用来融化积累的冰，电池温度不会持续上升，冰的融化速率和需要的时间可以通过以下公式计算：
Figure BDA0002632645190000108
式中，t1为燃料电池催化层温度达到冰点的时刻，
Figure BDA0002632645190000109
为燃料电池反应产热率，
Figure BDA00026326451900001010
为燃料电池热量耗散率，VCL为催化层体积，hsg为水蒸气凝华时的相变潜热。
本发明提出的低温燃料电池模型，不用求解电荷守恒公式，而是针对燃料电池低温启动特性对Tafel公式进行修改，计算燃料电池的低温输出电压Ucell，其计算方式如下：
Ucell＝Enernst+Vact+Vconc+Vohmic
式中，Enernst是燃料电池化学反应理想电动势，也称为能斯特电压，可以通过吉布斯自由能的变化量表示，其表达式如下：
Figure BDA0002632645190000111
其中，ΔGf为吉布斯自由能变化量，F为法拉第常数，ΔGf 0为标准状态下吉布斯自由能变化量，R为气体常数，Tfc为燃料电池温度，
Figure BDA0002632645190000112
为氢气分压，
Figure BDA0002632645190000113
为氧气分压，
Figure BDA0002632645190000114
为水蒸气分压。
Vact是燃料电池活化过电势，产生原因在于电子在穿过质子交换膜时需要克服反应的活化能，其计算方式如下：
Figure BDA0002632645190000115
Figure BDA0002632645190000116
Figure BDA0002632645190000117
其中，sice,slq分别催化层中冰和液态水的体积分数，并且体积分数的引入反映了冰和液态水的凝结对活化过电势的影响，冰的体积分数由水平衡模型计算得到；α是传输系数，R是气体常数，Tm是质子交换膜的温度，F是法拉第常数，j*是燃料电池阴阳极催化层反应速率，δCL为催化层厚度，ch为反应气体浓度，cref是参考气体浓度。
Vconc为浓差过电势，计算方式如下，
Figure BDA0002632645190000118
Figure BDA0002632645190000119
其中，F为法拉第常数，ch为反应气体浓度，δGDL为GDL厚度，
Figure BDA00026326451900001110
为GDL内气体扩散系数，δCL为催化层厚度，
Figure BDA00026326451900001111
为催化层内气体扩散系数。
Vohmic是欧姆过电势，根据欧姆定律得到计算公式如下：
Figure BDA0002632645190000121
其中，
Figure BDA0002632645190000122
为电子阻抗导致的电压损失，
Figure BDA0002632645190000123
为质子阻抗导致的电压损失，I为燃料电池电流，Relec为电子通过集流板的阻抗，Rproton为质子通过质子交换膜的阻抗，Rinternal为燃料电池内部总阻抗。
为了能够更加准确的反应燃料电池低温启动性能，对低温启动过程中燃料电池内部温度分布的仿真与预测显得尤为重要。本发明将燃料电池内各个组件分开建模，并求解各层之间的传质传热公式，模型能够反映低温启动过程中燃料电池厚度方向的温度分布，能够反映燃料电池单体内各个组件之间的温度差异，可以更加准确的预测燃料电池低温启动性能。而且不同于基于有限元商业软件建立的燃料电池低温有限元模型，本发明基于MATLAN/SIMULINK建立的燃料电池低温分层模型可以应用于燃料电池低温启动控制策略的制定与优化等工程问题的解决，具有较高的工程应用意义。
燃料电池低温启动过程中热量主要是催化层和质子交换膜中的化学反应产生的可逆热、极化现象导致的不可逆热以及水的相变热，燃料电池产热功率表达式如下：
Figure BDA0002632645190000124
式中，
Figure BDA0002632645190000125
为燃料电池的产热率，Uo为开路电压，hsg为水蒸气凝华时的相变潜热，F为法拉第参数，T为燃料电池温度，i为电流密度，A为反应面积，Ucell为燃料电池输出电压。
模型基于传热学相关原理，对燃料电池内各层组件之间的传热进行建模求解以及燃料电池和环境空气之间的换热，可以反映燃料电池内各组件的传热以及温度分布。
5、燃料电池电堆模型
基于燃料电池单体分层模型，本发明建立了燃料电池电堆分层模型，模型可以反映低温启动过程中电堆内各个单体的温度分布，进而能够反映电堆内单体电压分布的不均匀性。模型将双极板划分为阳极气体流道层、阳极双极板层、冷却流道层、阴极双极板层、阴极气体流道层五层，并将双极板作为电堆内单体间热交换的边界，双极板分层示意图如图5所示。
模型还考虑了电堆两端与端板接触单体的不同结构与传热方式，完整的考虑了电堆内不同位置单体的传热与温度分布，能够应用于燃料电池低温启动策略等工程问题的研究。
6、具体实施
电池结构和相关参数如下：电池反应面积为235cm2，单体长度*宽度为100mm*100mm，质子交换膜厚度为0.178mm，催化层厚度0.01mm，气体扩散测层厚度为0.2mm。质子交换膜等效质量为1100kg/kmil，质子交换膜密度为1980kg/m3，CL、GDL、BP的密度为1000g/m3，质子交换膜、CL、GDL、BP的比热容分别为833、3300、568、1580J/(kg*K)。仿真使用的输入电流密度在80s内匀速增加到40mA/cm2，然后保持稳定。仿真时间设置为300s。
图6显示了燃料电池单体分层模型结构示意图以及各层之间热量传输，图7显示了燃料电池电堆分层模型结构示意图，基于模型示意图对电堆内各个单体和单体内各层单独建模并求解各层之间的传质传热公式。
实施例图8显示了燃料电池单体在253.15K和243.15K温度下启动仿真电压结果与试验结果的对比，从图中可以得出，仿真结果与实验结果较好，模型可以较为准确的反映燃料电池单体低温启动的性能输出。
图9显示了253.15K启动过程中燃料电池单体内各层温度随时间变化的趋势，随着低温启动过程的进行和热量的产生，电池内各组件温度稳步上升，但是未能在催化层被冰完全覆盖之前达到冰点以上，启动失败。根据图9还能得到燃料电池内各组件之间的温度分布差异，具有较高的研究意义。
图10显示了270.15K启动成功时的仿真结果与试验结果的对比，结果显示拟合效果较好，图11显示了低温启动成功过程中电池温度与冰体积分数的变化，符合理论预期，说明本发明建立的模型不仅能够仿真失败的低温启动，还能反映成功的低温启动。
图12是拥有5个单体的电堆在253.15K低温环境中启动失败时的厚度方向温度分布，根据仿真结果可以得知，中间部位的单体温度高于两侧单体温度，而且电堆两端单体因为与端板直接接触，其温度与中间单体之间存在明显差距。
图13是不同单体数量的电堆在253.15K低温环境中启动时的平均电压输出，可以得到随着电堆数量的增加，同时刻电堆平均电压输出增大，而且启动持续时间延长。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统，包括燃料电池电堆(1)，该燃料电池电堆(1)分别连接有供氢子系统(2)、供气子系统(3)、蓄电池子系统(4)和冷却子系统(5)，其特征在于，所述供气子系统(3)包括依次连接的空气压缩机(301)、第一交换接口(302)、空气冷却器(303)和加湿器(304)，所述加湿器(304)接入所述燃料电池电堆(1)，所述加湿器(304)与所述燃料电池电堆(1)间的连接子系统连接所述第一交换接口(302)。
2.根据权利要求1所述的一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统，其特征在于，所述加湿器(304)与所述燃料电池电堆(1)间的连接线路设有第二交换接口(305)，所述供氢子系统(2)包括依次连接的高压氢罐(201)、减压阀(202)、第三交换接口(203)、氢进阀(204)和氢换热器(205)，所述氢换热器(205)接入所述燃料电池电堆(1)，所述第三交换接口(203)连接所述第二交换接口(305)；
当所述燃料电池混合电源系统停机时，通过将所述供气子系统(3)的空气通入所述供氢子系统(2)，实现对所述燃料电池电堆(1)的吹扫。
3.根据权利要求2所述的一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统，其特征在于，所述冷却子系统(5)包括补水箱(501)、水泵(502)、散热器(504)、电加热器(505)和节温器(503)，所述燃料电池电堆(1)、氢换热器(205)、空气冷却器(303)、散热器(504)、节温器(503)、水泵(502)、补水箱(501)和燃料电池电堆(1)依次连接，所述电加热器(505)的一端连接所述节温器(503)，另一端连接所述空气冷却器(303)。
4.一种如权利要求3所述的一种适应于冷启动的燃料电池混合电源系统的建模方法，用于建立燃料电池混合电源系统模型，其特征在于，所述燃料电池混合电源系统模型设有供气子系统模型、冷却子系统模型、蓄电池低温模型、燃料电池单体模型和燃料电池电堆模型，所述燃料电池电堆模型基于所述燃料电池单体模型构建。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却子系统模型中，所述节温器对所述冷却子系统中冷却液流量分配的表达式为：
Figure FDA0002632645180000011
式中，
Figure FDA0002632645180000021
为分流到散热器的冷却液流量，
Figure FDA0002632645180000022
为分流到双极板的冷却液的流量，k为节温器阀门的开度，
Figure FDA0002632645180000023
为流经节温器的冷却液总流量。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料电池单体模型中，所述燃料电池反应过程中积累的水含量的计算表达式为：
Figure FDA0002632645180000024
式中，
Figure FDA0002632645180000025
为燃料电池反应过程中积累的水含量，
Figure FDA0002632645180000026
是催化层反映生成的水，
Figure FDA0002632645180000027
是通过质子交换膜吸收和扩散走的水含量，
Figure FDA0002632645180000028
是扩散到气体扩散层的水含量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃料电池单体模型中，对低温启动过程中燃料电池内冰积累量的计算表达式为：
Figure FDA00026326451800000216
式中，s0是低温启动前燃料电池内的初始冰体积分数，vice为冰的摩尔质量，t为当前时刻，εCL为催化层孔隙率，δCL为催化层厚度，A为催化层反应面积。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述燃料电池内冰融化过程中，所述冰积累量的计算表达式为：
Figure FDA0002632645180000029
式中，t1为燃料电池催化层温度达到冰点的时刻，
Figure FDA00026326451800000210
为燃料电池反应产热率，
Figure FDA00026326451800000211
为燃料电池热量耗散率，VCL为催化层体积，hsg为水蒸气凝华时的相变潜热。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料电池单体模型中，燃料电池的低温输出电压的计算表达式为：
Ucell＝Enernst+Vact+Vconc+Vohmic
Figure FDA00026326451800000212
Figure FDA00026326451800000213
Figure FDA00026326451800000214
Figure FDA00026326451800000215
Figure FDA0002632645180000031
Figure FDA0002632645180000032
Figure FDA0002632645180000033
式中，Ucell为燃料电池的低温输出电压，Enernst为燃料电池化学反应理想电动势，Vact为燃料电池活化过电势，Vconc为浓差过电势，Vohmic为欧姆过电势，ΔGf为吉布斯自由能变化量，F为法拉第常数，ΔGf 0为标准状态下吉布斯自由能变化量，R为气体常数，Tfc为燃料电池温度，
Figure FDA0002632645180000034
为氢气分压，
Figure FDA0002632645180000035
为氧气分压，
Figure FDA0002632645180000036
为水蒸气分压，sice为催化层中冰的体积分数，slq为催化层中液态水的体积分数，α是传输系数，R是气体常数，Tm是质子交换膜的温度，F是法拉第常数，j*是燃料电池阴阳极催化层反应速率，δCL为催化层厚度，ch为反应气体浓度，cref是参考气体浓度，δGDL为GDL厚度，
Figure FDA0002632645180000038
为GDL内气体扩散系数，δCL为催化层厚度，
Figure FDA0002632645180000039
为催化层内气体扩散系数，
Figure FDA00026326451800000310
为电子阻抗导致的电压损失，
Figure FDA00026326451800000311
为质子阻抗导致的电压损失，I为燃料电池电流，Relec为电子通过集流板的阻抗，Rproton为质子通过质子交换膜的阻抗，Rinternal为燃料电池内部总阻抗。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料电池电堆模型将所述燃料电池电堆的双极板划分为依次设置的阳极气体流道层、阳极双极板层、冷却流道层、阴极双极板层和阴极气体流道层。
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