CN113346111A - 一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，S1、启动质子交换膜燃料电池系统；S2、建立开路电压模型、活化极化电压模型、欧姆极化电压模型、浓差极化电压模型、以及压降模型；S3、建立热平衡模型；S4、建立阴极流场和阳极流场的组分压力模型；S5、建立气体压力和温度动态模型；S6、建立氢气回流泵模型；S7、建立质子交换膜燃料电池系统阳极回路尾排的排氢阀控制模型。本发明所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法通过系统级的建立整个燃料电池系统的机理模型，提升燃料电池系统的模型仿真精度，精确反应燃料电池系统内部气体的动态变化过程，可以细致的分析各附件对系统的效能，提升模型的实用价值，具有广阔的应用前景。

Description

一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法。
背景技术
近年来，各国致力于开发新的替代能源和可再生技术，以弥补未来能源的短缺，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁的能源、氢气作为二次能源载体，可以进行不间断的提供能源。
质子交换膜燃料电池系统模型的建立是为了精确的表征燃料电池系统的各种属性，它在燃料电池系统的应用和开发的过程中发挥着不可或缺的作用，对提升燃料电池系统的性能和改进系统的效能具有重要的指导意义。
质子交换膜燃料电池系统主要包括滤氢器、空压机、加湿器、燃料电池电堆、冷凝器、背压阀、氢气罐、调压阀、氢气回流泵、减压阀和排氢阀等。目前，现有的燃料电池研究仅考虑建立电堆的电化学反应方面的内容，未考虑结合燃料电池电堆系统的附件进行整体的建模分析，不利于对燃料电池系统性能的准确预测和精准应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，以解决现有技术中的未考虑结合燃料电池电堆系统的附件进行整体的建模分析从而不利于对燃料电池系统性能的准确预测和精准应用的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，包括以下步骤：
S1、启动质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池电堆及均与其连通的空气供给回路子系统和氢气供给回路子系统；
S2、建立燃料电池电堆的开路电压模型ENernst、活化极化电压模型Vact、欧姆极化电压模型Vohm、浓差极化电压模型Vconc、以及压降模型Vloss，并得出燃料电池电堆的输出电压公式；
S3、通过热平衡处理操作建立质子交换膜燃料电池系统的热平衡模型和热平衡公式；
S4、建立加湿器、冷凝器和燃料电池电堆的阴极流场和阳极流场的组分压力模型；
S5、建立空压机气体压力和温度动态模型，并进行修正操作；
S6、建立氢气回流泵模型；
S7、建立质子交换膜燃料电池系统阳极回路尾排的排氢阀控制模型。
进一步的，在步骤S1中的所述空气供给回路子系统还包括滤清器、背压阀，滤清器进气端用于输入空气，滤清器出气端从右至左依次通过空压机、加湿器连通至燃料电池电堆进气端，燃料电池电堆出气端从左至右依次通过冷凝器、背压阀固定连通至外部。
进一步的，在步骤S1中的所述氢气供给回路子系统还包括氢气罐、调压阀、减压阀，氢气罐进气端用于输入氢气，氢气罐出气端从左至右依次通过调压阀、减压阀连通至燃料电池电堆进氢端，燃料电池电堆出氢端分别固定连通至氢气回流泵进气端、排氢阀进气端，氢气回流泵出气端固定连通至减压阀进气端，排氢阀出气端固定连通至外部。
进一步的，在步骤S2中的所述输出电压公式为：
Ustack＝Ncell(ENernst-Vact-Vohm-Vconc-Vloss)。
进一步的，在步骤S3中的所述热平衡公式为：
Figure BDA0003056173360000031
其中：mstack为燃料电池电堆的质量，Cp为空气比热容。
进一步的，在步骤S3中的所述热平衡处理操作包括以下步骤：
A1、通过电功率损失公式计算出燃料电池电堆的电功率损失；
A2、通过热交换散失功率公式计算出燃料电池电堆阴极流场与外界环境热交换散失的功率；
A3、通过冷却回路水分散失热量公式计算出燃料电池电堆冷却回路水分带走的热量。
相对于现有技术，本发明所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法具有以下优势：
(1)本发明所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法通过系统级的建立整个燃料电池系统的机理模型，提升燃料电池系统的模型仿真精度，精确反应燃料电池系统内部气体的动态变化过程，可以细致的分析各附件对系统的效能，提升模型的实用价值，具有广阔的应用前景。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法电池系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法电池模型示意图。
附图标记说明：
1-燃料电池电堆；2-空气供给回路子系统；21-滤清器；22-空压机；23-加湿器；24-冷凝器；25-背压阀；3-氢气供给回路子系统；31-氢气罐；32-调压阀；33-减压阀；34-氢气回流泵；35-排氢阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图2所示，一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，包括以下步骤：
S1、启动质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池电堆1及均与其连通的空气供给回路子系统2和氢气供给回路子系统3；
S2、利用电化学反应方程，建立燃料电池电堆1的开路电压模型ENernst、活化极化电压模型Vact、欧姆极化电压模型Vohm、浓差极化电压模型Vconc、以及考虑燃料电池内部离子发生渗透的产生压降模型Vloss，并得出燃料电池电堆1的输出电压公式；
S3、通过热平衡处理操作建立质子交换膜燃料电池系统的热平衡模型和热平衡公式，在实际使用时，工作人员需考虑冷却水循环回路模型和燃料电池电堆1的散热模型；
S4、建立加湿器23、冷凝器24和燃料电池电堆1的阴极流场和阳极流场的组分压力模型，在构建加湿器23、冷凝器24和燃料电池电堆1的阴极流场和阳极流场的模型过程中，考虑空气在加湿器23、冷凝器24中水分的变化和压力过程和燃料电池电堆1阴极流场气体消耗和压力的过程，氢气在氢气罐31和燃料电池电堆1阳极流场气体减少过程压力和组分减少的动态过程；
此外，在建立加湿器、冷凝器和燃料电池电堆的阴极流场和阳极流场的内反应气体变化过程组分压力模型，燃料电池电堆系统在工作时，混合气体的组分和压力在供给回路的过程中不断时刻发生变化，各中组分气体的流量为：
Figure BDA0003056173360000051
其中：dm[j]为各组分气体的质量流量，M[j]为各组分气体的摩尔质量，Xi[j]为混合气体各组分摩尔分数，其计算方程为：
Figure BDA0003056173360000061
其中：
Figure BDA0003056173360000062
为当前流道内总的气体流量，
Figure BDA0003056173360000063
加湿器、冷凝器和燃料电池电堆的阴极流场和阳极流场内温度和压力的计算方程式根据混合气体组分的质量守恒和能量守恒为：
Figure BDA0003056173360000064
Figure BDA0003056173360000065
其中：
Figure BDA0003056173360000066
V为容器的容积；
各偏导数推算结果如下：
Figure BDA0003056173360000067
其中：h为比焓，单位kg/s；
Figure BDA0003056173360000068
为热交换功率。
容腔的压力和温度计算方程为：
Figure BDA0003056173360000069
加湿器的水蒸气需求流量，根据当前混合气体的湿度，通过PID控制注入加湿器合适的水分，以保证腔体内混合气体的相对湿度达到目标的气体相对湿度。气体的饱和蒸气压为：
Figure BDA0003056173360000071
气体相对湿度为：
Figure BDA0003056173360000072
需求的水蒸气流量为：
Figure BDA0003056173360000073
其中：
Figure BDA0003056173360000074
为目标湿度。
S5、建立空压机22气体压力和温度动态模型，并进行修正操作，考虑空压机22特性对空气加压的动态变化和对气体的加热产生温升的动态变化；
具体的，建立空压机气体压力和温度动态模型，对空压机的质量流量信号和转速进行修正：
Figure BDA0003056173360000075
空压机的上流与下流的压力比为：
Figure BDA0003056173360000076
则空压机气体的出口温度为：
Figure BDA0003056173360000077
其中：η为空压机的效率；λ为空气比热容比，λ＝1.4。空压机中电机转矩方程为：
Figure BDA0003056173360000078
其中：h＝f(T)＝cp·T+h0，h为比焓，ho＝0。
S6、建立氢气回流泵34模型，考虑供氢管路过程氢气回流，增加氢气利用率、保证阳极流场压力的过程，构建氢气回流泵34气体压力变化模型；
S7、建立质子交换膜燃料电池系统阳极回路尾排的排氢阀35控制模型，考虑供氢管路中管路的氢气的浓度和压力，保证阳极流场回路氢气组分的纯净度和压力，本建模方法从系统级层面的考虑整个燃料电池系统的工作机理，在建模的过程中，不仅建立了反应电堆动态变化过程的电化学和反应电堆温度的变化过程，而且建立了气体在加湿器、冷凝器的动态变化过程。使建立的质子交换膜燃料电池系统更贴近实际的电堆系统反应过程，提升燃料电池系统仿真模型的精确性。
在步骤S1中的所述空气供给回路子系统2还包括滤清器21、背压阀25，滤清器21进气端用于输入空气，滤清器21出气端从右至左依次通过空压机22、加湿器23连通至燃料电池电堆1进气端，燃料电池电堆1出气端从左至右依次通过冷凝器24、背压阀25固定连通至外部，在实际使用时，滤清器21出气端通过一号供气管路固定连通至空压机22进气端，空压机22出气端通过二号供气管路固定连通至加湿器23进气端，加湿器23出气端通过三号供气管路固定连通至燃料电池电堆1进气端，燃料电池电堆1出气端通过四号供气管路固定连通至冷凝器24进气端，冷凝器24进气端通过五号供气管路固定连通至背压阀25进气端，背压阀25出气端固定连通至外部。
在步骤S1中的所述氢气供给回路子系统3还包括氢气罐31、调压阀32、减压阀33，氢气罐31进气端用于输入氢气，氢气罐31出气端从左至右依次通过调压阀32、减压阀33连通至燃料电池电堆1进氢端，燃料电池电堆1出氢端分别固定连通至氢气回流泵34进气端、排氢阀35进气端，氢气回流泵34出气端固定连通至减压阀33进气端，排氢阀35出气端固定连通至外部，在实际使用时，氢气罐31出气端通过一号供氢管路固定连通至调压阀32进气端，调压阀32出气端通过二号供氢管路固定连通至减压阀33进气端，减压阀33出气端通过三号供氢管路固定连通至燃料电池电堆1进氢端，燃料电池电堆1出氢端通过四号供氢管路分别固定连通至氢气回流泵34进气端、排氢阀35进气端，氢气回流泵34出气端通过五号供氢管路分别固定连通至减压阀33进气端，排氢阀35出气端固定连通至外部。
在步骤S2中的所述输出电压公式为：
Ustack＝Ncell(ENernst-Vact-Vohm-Vconc-Vloss)。
在步骤S3中的所述热平衡公式为：
Figure BDA0003056173360000091
其中：mstack为燃料电池电堆的质量，Cp为空气比热容。
在步骤S3中的所述热平衡处理操作包括以下步骤：
A1、通过电功率损失公式计算出燃料电池电堆1的电功率损失；
A2、通过热交换散失功率公式计算出燃料电池电堆1阴极流场与外界环境热交换散失的功率；
A3、通过冷却回路水分散失热量公式计算出燃料电池电堆1冷却回路水分带走的热量。
在步骤A1中的所述电功率损失公式为：Ploss＝(1.25·Ncell-Ustack)Istack，
其中，Ncell为电堆单体的数目，Istack为电堆电流。
在步骤A2中的所述热交换散失功率公式为：
dhcathode＝hectExchangecoefficient·exchangeArea·(Tcathode-Tstack)，
其中，Tcathode为阴极流场温度，Tstack为燃料电池电堆温度，heatExchangecoefficient为气体与电堆的热交换系数，exchangeArea为散热面积。
在步骤A3中的所述冷却回路水分散失热量公式为：dhwater＝Coolcoefficient·coolArea·(Twater-Tstack)，其中，Twater为冷却水温度，Coolcoefficient为冷却水的热交换系数，coolArea为冷却水的冷却面积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、启动质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池系统包括燃料电池电堆(1)及均与其连通的空气供给回路子系统(2)和氢气供给回路子系统(3)；
S2、建立燃料电池电堆(1)的开路电压模型、活化极化电压模型、欧姆极化电压模型、浓差极化电压模型、以及压降模型，并得出燃料电池电堆(1)的输出电压公式；
S3、通过热平衡处理操作建立质子交换膜燃料电池系统的热平衡模型和热平衡公式；
S4、建立加湿器(23)、冷凝器(24)和燃料电池电堆(1)的阴极流场和阳极流场的组分压力模型；
S5、建立空压机(22)气体压力和温度动态模型，并进行修正操作；
S6、建立氢气回流泵(34)模型；
S7、建立质子交换膜燃料电池系统阳极回路尾排的排氢阀(35)控制模型。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：在步骤S1中的所述空气供给回路子系统(2)还包括滤清器(21)、背压阀(25)，滤清器(21)进气端用于输入空气，滤清器(21)出气端从右至左依次通过空压机(22)、加湿器(23)连通至燃料电池电堆(1)进气端，燃料电池电堆(1)出气端从左至右依次通过冷凝器(24)、背压阀(25)固定连通至外部。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：在步骤S1中的所述氢气供给回路子系统(3)还包括氢气罐(31)、调压阀(32)、减压阀(33)，氢气罐(31)进气端用于输入氢气，氢气罐(31)出气端从左至右依次通过调压阀(32)、减压阀(33)连通至燃料电池电堆(1)进氢端，燃料电池电堆(1)出氢端分别固定连通至氢气回流泵(34)进气端、排氢阀(35)进气端，氢气回流泵(34)出气端固定连通至减压阀(33)进气端，排氢阀(35)出气端固定连通至外部。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：在步骤S2中的所述输出电压公式为：
Ustack＝Ncell(ENernst-Vact-Vohm-Vconc-Vloss)。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：在步骤S3中的所述热平衡公式为：
Figure FDA0003056173350000021
其中：为燃料电池电堆(1)的质量，为空气比热容。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统的建模方法，其特征在于：在步骤S3中的所述热平衡处理操作包括以下步骤：
A1、通过电功率损失公式计算出燃料电池电堆(1)的电功率损失；
A2、通过热交换散失功率公式计算出燃料电池电堆(1)阴极流场与外界环境热交换散失的功率；
A3、通过冷却回路水分散失热量公式计算出燃料电池电堆(1)冷却回路水分带走的热量。
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