CN114707369A - 一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，包括：根据燃料电池的输出特性及工作原理建立极化曲线模型，根据额定输出功率确定单电池数量；连接燃料电池空路子系统零部件，搭建燃料电池空路子系统仿真模型，并采集燃料电池系统实际运行参数；考虑整个空路零部件，模拟真实工况，针对不同功率、结构的燃料电池系统进行仿真，并对零部件进行评估；考虑空压机流量、转速、功率之间的关系，使空压机及燃料电池电堆在不同电流点下处于最佳运行条件，对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估。本发明整体提高了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，提升模型的实用价值。

Description

一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法。
背景技术
氢作为二次零碳能源，是实现能源供给及能源网络协同优化的有效途径。氢燃料电池不受卡诺循环限制，运行温度低、比功率高、稳定性强，同时可实现模块化装配，是当前最具发展潜力的能源装置。但是氢燃料电池本身高度耦合，需众多零部件的协同运作，是一个复杂非线性动态系统。在氢燃料电池大力发展阶段，有效的对燃料电池空路零部件进行有效评估，对燃料电池系统进行有效的性能预测，燃料电池系统仿真建模显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，能够对燃料电池空路子系统零部件进行精确评估，进而对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，包括以下步骤：
S1、根据燃料电池的输出特性及工作原理建立极化曲线模型，根据额定输出功率确定单电池数量；
S2、连接燃料电池空路子系统零部件，搭建燃料电池空路子系统仿真模型，并采集燃料电池系统实际运行参数，用以结合实验数据进行对比验证，并对模型进行修正，进而提高模型精度；
S3、燃料电池空气子系统考虑整个空路零部件，模拟真实工况，针对不同功率、结构的燃料电池系统进行仿真，并对零部件进行评估；
S4、考虑空压机流量、转速、功率之间的关系，使空压机及燃料电池电堆在不同电流点下处于最佳运行条件，对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估。
作为上述方案的优选，步骤S1具体为：采用开路电压减去欧姆过电势、浓差过电势及活化过电势建立燃料电池极化曲线；基于燃料电池极化曲线及实际系统所需额定功率确定单电池数量。
作为上述方案的优选，步骤S1中燃料电池电堆的电压计算Vstack公式为：
Figure 289884DEST_PATH_IMAGE001
cell （1）
式中，
Figure 950672DEST_PATH_IMAGE002
为开路电势；
Figure 702728DEST_PATH_IMAGE003
为欧姆过电势；
Figure 259611DEST_PATH_IMAGE004
为活化过电势；
Figure 792224DEST_PATH_IMAGE005
为浓差过电势；Ncell为电堆片数；燃料电池的开路电势、活化过电势、欧姆过电势和浓差过电势均由实验数据获取。
作为上述方案的优选，步骤S2中燃料电池空路子系统零部件包括：通过管路相连接的空压机、中冷器、增湿器、电堆、节气门及设置在管路上的压力传感器、温度传感器、流量计。
作为上述方案的优选，步骤S2中燃料电池系统实际运行参数包括：空压机进出口压力、温度，空压机入口流量，空压机运行功率，中冷器进出口压力、温度，中冷器水入流量，增湿器进出口压力、温度及湿度，燃料电池电堆进出口温度、电流及电压。
作为上述方案的优选，空压机模型包括：
1）输出流量
Figure 928807DEST_PATH_IMAGE006
根据以下公式（2）计算：
Figure 66527DEST_PATH_IMAGE007
（2）
式中，
Figure 591049DEST_PATH_IMAGE008
为空压机输出流量，单位为kg/s；
Figure 283062DEST_PATH_IMAGE009
为压力传感器所得压力，单位为kPa；
Figure 551232DEST_PATH_IMAGE010
为温度传感器测得温度，单位为K；
Figure 543459DEST_PATH_IMAGE011
为空压机转速，单位为rpm；
Figure 910986DEST_PATH_IMAGE012
为空压机的拟合系数；
Figure 418191DEST_PATH_IMAGE013
为修正系数；ε为空压机的出口压力与进口压力的比；
2）空压机的压缩效率η、电效率ηele根据以下公式（3）计算：
Figure 162156DEST_PATH_IMAGE014
Figure 8889DEST_PATH_IMAGE015
（3）
式中，
Figure 875214DEST_PATH_IMAGE016
为关于转速的二次函数；
Figure 541819DEST_PATH_IMAGE017
为经验参数；
Figure 151792DEST_PATH_IMAGE018
为空压机输入电流，单位为A；
3）空压机的转速N、功率
Figure 118611DEST_PATH_IMAGE019
根据以下公式（4）计算：
Figure 827941DEST_PATH_IMAGE020
Figure 309738DEST_PATH_IMAGE021
（4）
式中，
Figure 661085DEST_PATH_IMAGE022
经验参数；
Figure 213901DEST_PATH_IMAGE023
为空压机功率，单位为kW；
Figure 156449DEST_PATH_IMAGE024
为空气比热容，单位为J·kg-1·K-1。
作为上述方案的优选，节气门采用比例阀模型，其开度取决不同空压机转速下电堆运行压力，公式为：
Figure 63226DEST_PATH_IMAGE025
（5）
式中，
Figure 952684DEST_PATH_IMAGE026
为质量流量，单位为kg/s；
Figure 425254DEST_PATH_IMAGE027
为不同节气门开度下的流量系数；
Figure 7545DEST_PATH_IMAGE028
为入堆压力，单位为kPa；
Figure 136038DEST_PATH_IMAGE029
为电堆压力降，单位为kPa。
作为上述方案的优选，中冷器采用逆流式换热器模型，流阻为沿程阻力损失，其水入温度基于电堆运行电流和运行时间设定。
作为上述方案的优选，增湿器模型为达西定律，其流阻为孔隙域压力降，即粘度阻力项和惯性阻力项的和，水传输速率
Figure 625925DEST_PATH_IMAGE030
、压力降Phum公式为：
Figure 156264DEST_PATH_IMAGE031
Figure 909456DEST_PATH_IMAGE032
（6）
式中，
Figure 321983DEST_PATH_IMAGE033
为水传输速率；D为扩散系数，单位为cm/s；ET为扩散活化能；
Figure 553244DEST_PATH_IMAGE034
为水压差，单位为kPa；R为理想气体常数；
Figure 203668DEST_PATH_IMAGE035
为增湿器入口温度，单位为K；
Figure 924499DEST_PATH_IMAGE036
为粘度阻力系数；
Figure 27585DEST_PATH_IMAGE037
为流体粘度，单位为
Figure 62537DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 364205DEST_PATH_IMAGE039
为流体速度，单位为
Figure 459200DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 784002DEST_PATH_IMAGE041
为惯性阻力系数；
Figure 419383DEST_PATH_IMAGE042
为流体密度，单位为kg/m3。
作为上述方案的优选，还包括步骤S5、将氢路子系统和冷却子系统进行简单线性化处理，建立完整的燃料电池系统模型。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
本发明考虑了空路系统整体布局，包含空压机、中冷器、增湿器、节气门、管路，基于仿真模型对燃料电池空路子系统的零部件进行整体性评估，为零部件选型提供参考依据；能够从实际结构出发，有效模拟燃料电池空路子系统真实运行工况，并针对不同系统结构布局结合实验数据进行修正；且考虑了空压机功率和效率，能够针对空压机的输出特性及基于实际运行工况建立最优系统运行策略；本发明整体提高了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，能够细致的分析各附件对系统的效能，提升模型的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明燃料电池空路子系统结构示意图；
图2为空压机map图；
图3为仿真结果与实验数据对比图；
图中，101-空气；102-第一压力传感器；103-温度传感器；104-流量计；105-空压机；106-冷却水；107-中冷器；108-增湿器；109-第二压力传感器；110-燃料电池电堆；111-节气门。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，包括以下步骤：
S1、根据燃料电池的输出特性及工作原理建立极化曲线模型，根据额定输出功率确定单电池数量；
S2、连接燃料电池空路子系统零部件，搭建燃料电池空路子系统仿真模型，并采集燃料电池系统实际运行参数，用以结合实验数据进行对比验证，并对模型进行修正，进而提高模型精度；
S3、燃料电池空气子系统考虑整个空路零部件、管路及电堆，模拟真实工况，能够针对不同功率、结构的燃料电池系统进行仿真，并对零部件进行评估；
S4、考虑空压机流量、转速、功率之间的关系，能够针对空压机的输出特性，获取不同工况下的空压机及燃料电池系统最佳运行参数，进而使空压机及燃料电池电堆在不同电流点下处于最佳运行条件，对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估。能够根据实际系统运行工况，即不同的加载工况，进行整个空路子系统的动态仿真。
其中：
步骤S1具体为：采用开路电压减去欧姆过电势、浓差过电势及活化过电势建立燃料电池极化曲线；基于燃料电池极化曲线及实际系统所需额定功率确定单电池数量。燃料电池电堆的电压Vstack计算公式为：
Figure 778820DEST_PATH_IMAGE043
cell （1）
式中，
Figure 44716DEST_PATH_IMAGE044
为开路电势；
Figure 919131DEST_PATH_IMAGE045
为欧姆过电势；
Figure 295886DEST_PATH_IMAGE046
为活化过电势；
Figure 524478DEST_PATH_IMAGE047
为浓差过电势；Ncell为电堆片数；燃料电池的开路电势、活化过电势、欧姆过电势和浓差过电势均由实验数据获取，是关于燃料电池的进出口压力、湿度和温度有关的函数。
步骤S2中燃料电池空路子系统零部件，如图1所示，包括：通过管路相连接的空压机105、中冷器107、增湿器108、电堆110、节气门111及设置在管路上的压力传感器（第一压力传感器102、第二压力传感器109）、温度传感器103、流量计104。燃料电池空路工作流程为：大气中的空气101被空压机105压缩后供给中冷器107；第一压力传感器102、温度传感器103、流量计104采集空压机105运行过程中的入口压力、温度和流量。冷却水106流入中冷器107，给进入中冷器107的高压空气降温。被中冷器107降温后的高压空气流入增湿器108干侧进行加湿处理。加湿后的高压空气进入燃料电池电堆110参与电化学反应，产生电能和热能，未参与反应的剩余气体进入增湿器108湿侧给进入干侧的高压空气加湿然后进入节气门111。第二压力传感器109采集进入燃料电池电堆110的高压空气压力。进入节气门111的剩余空气101被排入大气中。
基于燃料电池实际运行工况进行实验测试，采集燃料电池空路子系统的运行参数，主要包括：空压机进出口压力、温度，空压机入口流量，空压机运行功率，中冷器进出口压力、温度，中冷器水入流量，增湿器进出口压力、温度及湿度，燃料电池电堆进出口温度、电流及电压。基于运行参数中的空压机进出口压力、温度，空压机入口流量，空压机运行功率搭建空压机模型；基于中冷器进出口压力、温度，中冷器水入流量，建立中冷器模型；基于增湿器进出口压力、温度及湿度，建立增湿器模型；基于燃料电池电堆进出口压力、流量，建立节气门模型；基于管路数模搭建管路仿真模型。由于本发明主要是考虑燃料电池空路子系统，所以根据不同的电流、运行时间进行中冷水入温度设定。
空压机模型包括：
1）输出流量
Figure 758013DEST_PATH_IMAGE006
根据以下公式（2）计算：
Figure 322987DEST_PATH_IMAGE007
（2）
式中，
Figure 237853DEST_PATH_IMAGE048
为空压机输出流量，单位为kg/s；
Figure 634200DEST_PATH_IMAGE049
为压力传感器所得压力，单位为kPa；
Figure 976319DEST_PATH_IMAGE050
为温度传感器测得温度，单位为K；
Figure 763010DEST_PATH_IMAGE011
为空压机转速，单位为rpm；
Figure 543884DEST_PATH_IMAGE051
为空压机的拟合系数；
Figure 732420DEST_PATH_IMAGE013
为修正系数；ε为空压机的出口压力与进口压力的比；
2）空压机的压缩效率η、电效率ηele根据以下公式（3）计算：
Figure 511020DEST_PATH_IMAGE052
Figure 581744DEST_PATH_IMAGE053
（3）
式中，
Figure 103992DEST_PATH_IMAGE016
为关于转速的二次函数；
Figure 147035DEST_PATH_IMAGE054
为经验参数；
Figure 893274DEST_PATH_IMAGE055
为空压机输入电流，单位为A；
3）空压机的转速N、功率
Figure 654556DEST_PATH_IMAGE019
根据以下公式（4）计算：
Figure 714916DEST_PATH_IMAGE020
Figure 940361DEST_PATH_IMAGE056
（4）
式中，
Figure 60764DEST_PATH_IMAGE057
经验参数；
Figure 512605DEST_PATH_IMAGE058
为空压机功率，单位为kW；
Figure 173393DEST_PATH_IMAGE059
为空气比热容，单位为J·kg-1·K-1。
节气门采用比例阀模型，其开度取决不同空压机转速下电堆运行压力，公式为：
Figure 456607DEST_PATH_IMAGE025
（5）
式中，
Figure 482332DEST_PATH_IMAGE060
为质量流量，单位为kg/s；
Figure 14945DEST_PATH_IMAGE061
为不同节气门开度下的流量系数；
Figure 679757DEST_PATH_IMAGE062
为入堆压力，单位为kPa；
Figure 551898DEST_PATH_IMAGE063
为电堆压力降，单位为kPa。
中冷器采用逆流式换热器模型，流阻为沿程阻力损失，其水入温度基于电堆运行电流和运行时间设定。
增湿器模型为达西定律，其流阻为孔隙域压力降，即粘度阻力项和惯性阻力项的和，水传输速率
Figure 810841DEST_PATH_IMAGE030
、压力降Phum公式为：
Figure 34012DEST_PATH_IMAGE064
Figure 239865DEST_PATH_IMAGE032
（6）
式中，
Figure 28830DEST_PATH_IMAGE033
为水传输速率；D为扩散系数，单位为cm/s；ET为扩散活化能；
Figure 396357DEST_PATH_IMAGE034
为水压差，单位为kPa；R为理想气体常数；
Figure 106824DEST_PATH_IMAGE035
为增湿器入口温度，单位为K；
Figure 913106DEST_PATH_IMAGE036
为粘度阻力系数；
Figure 759839DEST_PATH_IMAGE037
为流体粘度，单位为
Figure 563847DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 292769DEST_PATH_IMAGE039
为流体速度，单位为
Figure 840425DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 338402DEST_PATH_IMAGE041
为惯性阻力系数；
Figure 578891DEST_PATH_IMAGE042
为流体密度，单位为kg/m3。
管路压力降（包含电堆压降）包含沿程压力损失及局部压力损失，在进行测试前，基于流体软件进行仿真预处理。
按照系统流程图，连接上述空路子系统核心零部件、燃料电池电堆和管路，搭建燃料电池空路子系统仿真模型；并基于实际运行参数、输出参数和仿真参数进行模型修正。
氢路子系统和冷却子系统进行简单线性化处理，建立完整的燃料电池系统模型。
本实施例基于燃料电池实际运行工况建立仿真模型，并利用实验数据进行修正，能够准确预测燃料电池系统性能，并基于空压机运行特性，获取最佳运行参数，其空压机的最佳运行条件如图2所示，图中显示了不同转速下，空压机最大效率点及其对应下的流量与出口压力。系统仿真结果如图3所示，仿真结果与实验结果吻合较好，最大误差不超过4%。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据燃料电池的输出特性及工作原理建立极化曲线模型，根据额定输出功率确定单电池数量；
S2、连接燃料电池空路子系统零部件，搭建燃料电池空路子系统仿真模型，并采集燃料电池系统实际运行参数，用以结合实验数据进行对比验证，并对模型进行修正，进而提高模型精度；
S3、燃料电池空气子系统考虑整个空路零部件，模拟真实工况，针对不同功率、结构的燃料电池系统进行仿真，并对零部件进行评估；
S4、考虑空压机流量、转速、功率之间的关系，使空压机及燃料电池电堆在不同电流点下处于最佳运行条件，对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，步骤S1具体为：采用开路电压减去欧姆过电势、浓差过电势及活化过电势建立燃料电池极化曲线；基于燃料电池极化曲线及实际系统所需额定功率确定单电池数量。
3.根据权利要求2所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，步骤S1中燃料电池电堆的电压Vstack计算公式为：
Figure 109272DEST_PATH_IMAGE001
cell （1）
式中，
Figure 195039DEST_PATH_IMAGE002
为开路电势；
Figure 813102DEST_PATH_IMAGE003
为欧姆过电势；
Figure 224492DEST_PATH_IMAGE004
为活化过电势；
Figure 865689DEST_PATH_IMAGE005
为浓差过电势；Ncell为电堆片数；燃料电池的开路电势、活化过电势、欧姆过电势和浓差过电势均由实验数据获取。
4.根据权利要求1所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，步骤S2中燃料电池空路子系统零部件包括：通过管路相连接的空压机、中冷器、增湿器、电堆、节气门及设置在管路上的压力传感器、温度传感器、流量计。
5.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，步骤S2中燃料电池系统实际运行参数包括：空压机进出口压力、温度，空压机入口流量，空压机运行功率，中冷器进出口压力、温度，中冷器水入流量，增湿器进出口压力、温度及湿度，燃料电池电堆进出口温度、电流及电压。
6.根据权利要求5所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，空压机模型包括：
1）输出流量
Figure 817465DEST_PATH_IMAGE006
根据以下公式（2）计算：
Figure 493297DEST_PATH_IMAGE007
（2）
式中，
Figure 810008DEST_PATH_IMAGE008
为空压机输出流量，单位为kg/s；
Figure 204081DEST_PATH_IMAGE009
为压力传感器所得压力，单位为kPa；
Figure 693968DEST_PATH_IMAGE010
为温度传感器测得温度，单位为K；
Figure 224306DEST_PATH_IMAGE011
为空压机转速，单位为rpm；
Figure 711919DEST_PATH_IMAGE012
为空压机的拟合系数；
Figure 390025DEST_PATH_IMAGE013
为修正系数；ε为空压机的出口压力与进口压力的比；
2）空压机的压缩效率η、电效率ηele根据以下公式（3）计算：
Figure 621287DEST_PATH_IMAGE014
Figure 271711DEST_PATH_IMAGE015
（3）
式中，
Figure 992542DEST_PATH_IMAGE016
为关于转速的二次函数；
Figure 830048DEST_PATH_IMAGE017
为经验参数；
Figure 865000DEST_PATH_IMAGE018
为空压机输入电流，单位为A；
3）空压机的转速N、功率
Figure 432248DEST_PATH_IMAGE019
根据以下公式（4）计算：
Figure 261664DEST_PATH_IMAGE020
Figure 852045DEST_PATH_IMAGE021
（4）
式中，
Figure 487426DEST_PATH_IMAGE022
经验参数；
Figure 846863DEST_PATH_IMAGE023
为空压机功率，单位为kW；
Figure 909497DEST_PATH_IMAGE024
为空气比热容，单位为J·kg-1·K-1。
7.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，节气门采用比例阀模型，其开度取决不同空压机转速下电堆运行压力，公式为：
Figure 984244DEST_PATH_IMAGE025
（5）
式中，
Figure 95420DEST_PATH_IMAGE026
为质量流量，单位为kg/s；
Figure 371680DEST_PATH_IMAGE027
为不同节气门开度下的流量系数；
Figure 808478DEST_PATH_IMAGE028
为入堆压力，单位为kPa；
Figure 107872DEST_PATH_IMAGE029
为电堆压力降，单位为kPa。
8.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，中冷器采用逆流式换热器模型，流阻为沿程阻力损失，其水入温度基于电堆运行电流和运行时间设定。
9.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法，其特征在于，增湿器模型为达西定律，其流阻为孔隙域压力降，即粘度阻力项和惯性阻力项的和，水传输速率
Figure 288318DEST_PATH_IMAGE030
、压力降Phum公式为：
Figure 419085DEST_PATH_IMAGE031
Figure 761205DEST_PATH_IMAGE032
（6）
式中，
Figure 610212DEST_PATH_IMAGE033
为水传输速率；D为扩散系数，单位为cm/s；ET为扩散活化能；
Figure 594348DEST_PATH_IMAGE034
为水压差，单位为kPa；R为理想气体常数；
Figure 517305DEST_PATH_IMAGE035
为增湿器入口温度，单位为K；
Figure 92643DEST_PATH_IMAGE036
为粘度阻力系数；
Figure 632209DEST_PATH_IMAGE037
为流体粘度，单位为
Figure 888878DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 994237DEST_PATH_IMAGE039
为流体速度，单位为
Figure 678159DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 705021DEST_PATH_IMAGE041
为惯性阻力系数；
Figure 562119DEST_PATH_IMAGE042
为流体密度，单位为kg/m3。
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