CN112820906B - 一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，该方法包括如下步骤：(1)建立车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统模型，主要包括：电压模型、空压机模型、加湿器模型、冷却水泵、氢气循环泵模型。对模型进行实验验证与参数分析。(2)通过给定PEMFC阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况。(3)利用电效率、热效率、全系统效率等模型对系统在电流阶跃变化情况下的热力学性能进行评价以达到车用PEMFC动态动态工况下的系统热力学评价。与现有技术相比，本发明评价结果更客观可靠，与行驶过程中的燃料电池热力学性能更相一致。

Description

一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法。
背景技术
氢燃料电池技术是一种具有较高环境潜力的友好能源转换技术。它在不燃烧的情况下，将空气中的不燃烧，直接将化学能转化为电能。如果使用纯氢，唯一排出的产物是水，它几乎不产生污染物。燃料电池的热力学性能研究是体现燃料电池的输出效率和提升系统各项性能指标的重要环节，引起了研究者的高度重视，逐渐成为了燃料电池研究领域的热点。对于燃料电池，热力学分析不仅可以预测燃料电池中的化学反应是否可以自发发生，反应产生的最大电压，而且还可以给出燃料电池各参数的理论边界值。为了解系统内部反应机理和水和传热过程提供了有效途径。随着时代发展变迁，燃料电池作为动力系统在新能源汽车中使用越来越广泛，拥有着巨大发展潜力。因此，考虑动态工况下车用质子交换膜燃料电池热力学性能显得更为重要，也更符合目前车用燃料电池的发展需求。为了解决目前燃料电池汽车动态热力学评价的问题，本文提出了一种动态工况下的车用PEMFC系统热力学评价方法。
发明内容
本发明的主要目的是针对车用PEMFC热力学性能评价中存在的技术缺陷，提出了一种用于动态工况下的车用PEMFC的热力学评价方法，通过模拟车辆变负载下的PEMFC电流阶跃，再使用基于热力学第一定律、第二定律的热力学评价数学模型，实现对动态工况下的车用PEMFC热力学评价，以获得行驶中新能源汽车的燃料电池热力学性能。
本发明为实现以上目的，采用以下技术方案：
一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统模型，主要包括：电压模型、空压机模型、加湿器模型、冷却水泵、氢气循环泵模型。对模型进行实验验证与参数分析。
1.电压模型
电压方程是由，阴极氧气分压、阳极氢气分压、电流、膜水含量参数、温度构成的函数，表示如下：
Vcell＝Enernst-Vact-Vohm-Vconc (1)
Enernst为能斯特理想电压，Vact是激活极化损耗电压，Vohm是欧姆极化损耗电压，Vconc为浓差极化损耗电压。
2.空压机模型
高压是PEMFC良好性能的保证，由于燃料电池堆在高压下运行，入口气体应由压缩机压缩可以计算如下：
Figure BDA0002900703730000021
cp为入口气体的恒压比热容，ΔTgas是进口气体压缩后的温升(K)，
Figure BDA0002900703730000022
指的是气体质量流。
3.加湿器模型
气体加湿的耗热量可等于进气温度下将298K水转化为饱和蒸汽的成本，计算公式可为：
Figure BDA0002900703730000023
ΔhH2O是298K水与饱和蒸汽在进气温度下的焓差,
Figure BDA0002900703730000024
和
Figure BDA0002900703730000025
分别是加湿空气和氢中蒸汽的摩尔流动。
4.冷却水泵模型
冷却水泵和其他防喷器(包括控制器、阀门和传感器)消耗显著的电力，对系统的总性能有很大的影响，电力成本可计算如下：
Figure BDA0002900703730000031
fw是冷却水流流量。
5.氢气循环泵模型
通过在阳极出口处安装氢气循环泵，使得未反应的氢燃料能够循环利用，循环泵功率消耗的计算可由理想气体的绝热压缩过程得到，可计算如下：
Figure BDA0002900703730000032
其中，Wcycle是循环氢气质量流量(kg·s-1)；
Figure BDA0002900703730000033
是氢气过量系数；
Figure BDA0002900703730000034
是氢气恒压比热容；Tt是气体预压缩温度；πcycle是绝热压缩比；ηcycle是氢气循环泵的效率。
(2)由于燃料电池汽车在运行过程中负载能耗以及PEMFC工作参数都是动态变化的，因此通过电流与系统之间的拟合公式，通过给定PEMFC阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况，从而可以得到车用 PEMFC系统动态工况下的性能输出。得到的动态响应相较于传统稳态响应更能体现运行中的燃料电池汽车的性能变化。
(3)通过matlab/simulink仿真软件结合电效率、热效率、全系统效率等模型获取系统在电流阶跃变化情况下的热力学输出，通过对热力学结果的研究分析以达到车用PEMFC动态动态工况下的系统热力学评价。
步骤(3)具体为：
整个PEMFC系统的热力学性能是综合考虑PEMFC堆栈输出和辅助部件能耗的结果，系统电功率、系统电效率、系统热效率、全系统效率模型具体如下：
Pel_sys＝Pel_st-Pcompressor-Ppump-Pcycle (7)
Figure BDA0002900703730000041
Figure BDA0002900703730000042
Figure BDA0002900703730000043
其中,Pel_st为PEMFC电堆电功率(kW)；
Figure BDA0002900703730000044
为氢气过量系数；LHV为燃料电池低热值(1.25V)。
通过以上公式结合PEMFC电堆模型及电流动态阶跃给定，可得动态工况下的车用PEMFC热力学性能输出。通过对系统输出结果图的分析，达到热力学评价的标准。
与现有技术相比，本发明优势：
传统稳态研究车用PEMFC热力学性能的方法与车辆在不同动态工况下的实际热力学性能大相庭径，与真实车辆行驶过程中热力学变化不相符，本发明通过模拟运行过程中的车辆PEMFC的负载电力流变化，与热力学模型相结合，以获取动态下的PEMFC的热力学性能，其结果更真实可靠，更有利于我们对车用 PEMFC的热力学研究，且本发明为动态热力学研究改进提供了明确的方向。与现有技术相比，本发明评价结果更客观可靠，与行驶过程中的燃料电池热力学性能更相一致。
附图说明
图1为本发明技术流程图；
图2为本发明车用质子交换膜燃料电池系统图；
图3为本发明系统模型验证图；
图4为本发明车用质子交换膜燃料电池电堆阶跃电流给定图；
图5为本发明车用质子交换膜燃料电池电堆电功率输出图；
图6为本发明车用质子交换膜燃料电池负载能耗图；
图7为本发明车用质子交换膜燃料电池系统电功率输出图；
图8为本发明车用质子交换膜燃料电池系统电效率输出图；
图9为本发明车用质子交换膜燃料电池系统热效率输出图；
图10为本发明车用质子交换膜燃料电池系统全系统效率输出图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本发明具体设备包括PEMFC电堆和空气压缩机、冷却水泵、加湿器、氢气循环泵等附属设备，以往对车用PEMFC系统进行热力学建模时，往往忽略了对氢气循环泵的建模，该附属设备在系统能耗占比较大，因此不可忽略。氢气循环泵可将车用PEMFC为反应完的氢气进行回收通过加湿加压等一系列操作循环至入口提高氢气使用率。
下面结合附图，具体说明实现本发明的实施方式。
如图1所示，图1为本发明技术流程图，模型搭建，数值仿真，仿真分析等几步来实现。
如图2所示，图2为车用PEMFC系统结构图，由于系统附属设备能耗占系统总功率比值较高，因此在建模仿真时，不仅要计算PEMFC电堆的功率，还要考虑空压机、氢气循环泵、加湿器、冷却水泵等附属设备的能耗，因此需要对附属设备进行详细的热力学建模。
如图3所示，图3为本发明系统模型验证图，验证了本文PEMFC电堆的正确性，从模型验证图能得知单片PEMFC电压随着电流密度增大而减小。
如图4所示，图4为本发明负载动态阶跃电流模拟，模拟了车用PEMFC系统在180-300A之间的电流阶跃变化，分别在80s、200s、320s、400s时发生电流阶跃，电流的动态阶跃变化将显著影响PEMFC电堆性能，以及氢气以及空气的进气量，这将直接影响附属设备能耗，以及整体热力学性能评价。
如图5所示，图5为本发明在电流动态阶跃变化下的PEMFC电堆电功率，电堆电功率显然在电流阶跃至高电流区域时拥有更大的电功率，其动态阶跃变化更能提现车用PEMFC电堆在动态工况下的输出功率大小。有关PEMFC电堆电功率的计算如下：
Pel_st＝Vcell·N·Icell (1)
其中Vcell为单电池电压(V)；N为单电池数目；Icell为负载电流(A)。
如图6所示，图6为本发明在电流动态阶跃下的附属设备能耗。图中附属设备能耗跟随电流动态阶跃上升显著上升，附属设备能耗在系统电功率中占比较高，显著影响系统整体性能。其原因是因为电流增大增大了气体进气量导致负载能耗增高。有关附属设备能耗的相关模型如下：
1.高压是PEMFC良好性能的保证，由于燃料电池堆在高压下运行，入口气体应由压缩机压缩可以计算如下：
Figure BDA0002900703730000061
cp为入口气体的恒压比热容，ΔTgas是进口气体压缩后的温升(K)，
Figure BDA0002900703730000062
指的是气体质量流。
2.气体加湿的耗热量可等于进气温度下将298K水转化为饱和蒸汽的成本，计算公式可为：
Figure BDA0002900703730000063
ΔhH2O是298K水与饱和蒸汽在进气温度下的焓差,
Figure BDA0002900703730000064
和
Figure BDA0002900703730000065
分别是加湿空气和氢中蒸汽的摩尔流动。
3.冷却水泵和其他防喷器(包括控制器、阀门和传感器)消耗显著的电力，对系统的总性能有很大的影响，电力成本可计算如下：
Figure BDA0002900703730000071
fw是冷却水流流量。
4.通过在阳极出口处安装氢气循环泵，使得未反应的氢燃料能够循环利用，循环泵功率消耗的计算可由理想气体的绝热压缩过程得到，可计算如下：
Figure BDA0002900703730000072
其中，Wcycle是循环氢气质量流量(kg·s-1)；
Figure BDA0002900703730000073
是氢气过量系数；
Figure BDA0002900703730000074
是氢气恒压比热容；Tt是气体预压缩温度；πcycle是绝热压缩比；ηcycle是氢气循环泵的效率。
如图7所示，图7为本发明在电流动态阶跃下的系统净功率，由PEMFC电堆减去负载能耗所得到的系统功率，其表示车用PEMFC系统在动态工况下的真实系统功率。系统净功率计算如下：
Pel_sys＝Pel_st-Pcompressor-Ppump-Pcycle (6)
如图8所示，图8为本发明在电流动态阶跃下的系统电效率，电效率越大意味着系统性能越好，也代表PEMFC系统的发电性能越好。从动态的角度更能体现PEMFC系统在车辆运行中的电效率变化，从图中能明显看出随着电路动态阶跃上升系统电效率显著下降，因此车用PEMFC系统性能显著下降，这是由于电流增大了加强了PEMFC电堆电化学反应中的欧姆损耗，导致电堆效率下降。系统电效率计算如下：
Figure BDA0002900703730000075
如图9所示，图9为本发明在电流动态阶跃下的系统热效率，系统热效率增大意味着整体系统的发热更多，热转换率更高，发电量也相对减少，从图中能明显看出随着电流动态阶跃上升系统热效率显著上升，其代表车用PEMFC系统在负载电流较高的情况下，整体系统发热更多，电转化比下降，整个车用PEMFC 性能下降。系统热效率计算如下：
Figure BDA0002900703730000081
如图10所示，图10为本发明在电流动态阶跃下的全系统效率，系统全效率是基于热力学定律转化对车用PEMFC系统整体性能的评价方式，更直接的反映车用PEMFC系统整体热力学性能的高低，本发明从动态角度上对PEMFC系统变化进行了仿真分析，更直观的反应车用PEMFC系统在运行过程中随着负载电流变化，导致的系统热力学性能变化。从图中可以看出负载电流阶跃上升时全系统效率下降，这是由于高电流密度下电效率下降，热效率大幅度增大且负载能耗增加导致。全系统效率计算如下：
Figure BDA0002900703730000082
通过以上概述，从动态工况下的电流阶跃变化，获取车用PEMFC动态工况下的各项评价指标，再结合各项指标对整体PEMFC系统进行热力学评价，相比传统稳态评价方式，本发明更直观的展示了动态工况下车用PEMFC系统热力学性能变化，从更符合客观事实的角度上对整个车用PEMFC系统热力学性能进行评价。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立车用质子交换膜燃料电池系统模型，包括电压模型、空压机模型、加湿器模型、冷却水泵、氢气循环泵模型；对模型进行实验验证与参数分析；步骤(2)：通过给定质子交换膜燃料电池阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况；步骤(3)：利用系统电功率、系统电效率、系统热效率、全系统效率模型对系统在电流阶跃变化情况下的热力学性能进行评价，实现车用质子交换膜燃料电池动态动态工况下的系统热力学评价；
具体设备包括PEMFC电堆和空气压缩机、冷却水泵、加湿器、氢气循环泵；
模拟了车用PEMFC系统在180-300A之间的电流阶跃变化，分别在80s、200s、320s、400s时发生电流阶跃；
步骤(2)由于燃料电池汽车在运行过程中负载能耗以及PEMFC工作参数都是动态变化的，因此通过电流与系统之间的拟合公式，通过给定PEMFC阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况，从而可以得到车用PEMFC系统动态工况下的性能输出；得到的动态响应相较于传统稳态响应更能体现运行中的燃料电池汽车的性能变化；
步骤(3)通过matlab/simulink仿真软件结合电效率、热效率、全系统效率模型对系统在电流阶跃变化情况下的热力学输出，通过对热力学结果的研究分析以达到车用PEMFC动态动态工况下的系统热力学评价；
整个PEMFC系统的热力学性能是综合考虑PEMFC堆栈输出和辅助部件能耗的结果，系统电功率、系统电效率、系统热效率、全系统效率模型具体如下：
Pel_sys＝Pel_st-Pcompressor-Ppump-Pcycle
Figure FDA0003620627640000011
Figure FDA0003620627640000012
Figure FDA0003620627640000013
其中，Pel_sys为系统电功率(kW)，ηel_sys为系统电效率；ηth_sys为系统热效率；ηsys为全系统效率；Pel_st为PEMFC电堆电功率(kW)；Pth_st为PEMFC电堆热功率；Pcompressor为空气压缩机功率；Phumid为加湿器功率；Ppump为冷却水泵功率；Pcycle为氢气循环泵功率；
Figure FDA0003620627640000015
为氢气过量系数；LHV为燃料电池低热值(1.25V)；Icell为系统电流(A)；N为燃料电池单电池数目；
通过以上公式结合PEMFC电堆模型及电流动态阶跃给定，可得动态工况下的车用PEMFC热力学性能输出；通过对系统输出结果图的分析，达到热力学评价的标准；
氢气循环泵模型：
Figure FDA0003620627640000014
Wcycle是循环氢气质量流量(kg/s)；cpH2是氢气恒压比热容；Tt是气体预压缩温度；πcycle是绝热压缩比；ηcycle是氢气循环泵的效率；Vcell为单电池电压(V)。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，其特征在于，
电压模型：Vcell＝ENernst-Vact-Vohmic-Vcon
ENernst是能斯特电位(V)；Vact是激活活化损耗电压(V)；Vohmic是欧姆极化损耗电压(V)；Vcon是浓度损耗电压(V)；
空气压缩机模型：
Figure FDA0003620627640000016
cp指的是入口气体的恒压比热容(KJ/kg·K)；ΔTgas是入口气体压缩后的温升(K)；
Figure FDA0003620627640000017
是进气的质量流量(kg/s)；
加湿器模型：
Figure FDA0003620627640000022
Figure FDA0003620627640000023
是将1mol 298K的水加热至进气温度下的水蒸气所消耗的焓值(KJ/mol)；
Figure FDA0003620627640000024
和
Figure FDA0003620627640000025
分别是进气加湿后进气气体(空气、氢气)中水蒸汽流量(mol/s)；
冷却水泵模型：
Figure FDA0003620627640000021
fw是冷却水流速(L/min)。
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Thermodynamic modeling and exergy analysis of proton exchange membrane fuel cell power system;Guokun Liu;《i n t e r n a t i o n a l journal o f hydrogen energy》;20201104;第45卷(第54期);第29801页右栏第3段至第29810页左栏第3段、图1、8、9 *

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