氢氧燃料电池系统能量模型与仿真.pdf

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1、船电技术1应用研究V01．36No．72016．7氢氧燃料电池系统能量模型与仿真范晶，周蕾(武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064)摘要：针对氢氧燃料电池系统，从氢能储存、氢能转化、电能消耗和热能利用四个方面出发，建立系统能量参数模型，仿真系统能量参数随运行工况变化曲线，对参数加以预测和评定，从而指导燃料电池系统设计。关键词：燃料电池能量仿真Simulink中图分类号：TM91l文献标识码：A文章编号：1003-4862(2016)07—0042—05EnergyModelandSimulationofHydrogen·OxygenFue

2、lCellSystemFanJing，ZhouLeifWuhanInstituteofMarineElectricPropulsion，Wuhan430064，China)Abstract：Energymodelofhydrogen—oxygen^elcellsystemisbuiltonthebasisofhydrogenenergystorageandtransformation，electricenergyconsumption，andheatenergyutilizationprocess．Thechangecurvebetweenen

3、ergyparameterandworkingconditionissimulated,andtheenergyparametersarepredictedandevaluatedSOastoguidethedesignoffuelcellsystem．Keywords：乃elcell,"energy,"simulation；Simulink0前言氢氧燃料电池是一种电化学能源转化装置，它将氢气和氧气化学能经电化学反应方式直接转化为电能和热能以供应能量¨J。其不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高f40％～60％)：环境友好，几乎

4、不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40％以上【2，41。氢氧燃料电池系统的能量储存、转化及输出、电能消耗和热能利用过程的宗旨为提高能量储存密度，充分利用由化学能转化而来的电能和热能，增大电能有效输出。能量储存问题主要针对氢燃料储存；能量转化及输出针对燃料电池将化学能转化为电能和热能的过程，用燃料电池发电效率来衡量化学能转化效率；电能消耗是指辅机用电，直接影响燃料电池系统效率值；热能利用为燃料电池产生热能回收利用过程，可用系统综合能量收稿日期：2016．02．15作者简介：范晶(1980一)，男，博士，高级工程师。研究方

5、向：化学电源。42利用率来衡量氢氧源回收利用热能大小。氢氧燃料电池系统能量原理如图1所示。1系统能量参数模型在仿真预测系统能量参数之前，在Matlab／Simulink软件中建立系统能量参数模型，将模型分模块进行封装，保留模块输入输出接口，封装后的仿真模型如图2所示。2系统能量参数仿真针对氢氧燃料电池系统的工作特点，按照能量储存、转化、消耗和利用四个步骤，将其运行过程分解为氢能储存、氢能转化、电能消耗和热能利用四部分。氢能储存可采用氢化物储氢或高压氢气瓶储氢方式，储氢量则由充氢量决定；氢能储存存在损耗，主要源至管道内氢气的残留、燃料电池的尾排和

6、启动过程中的吹扫，在开关机过程中损耗较多，且氢气压力越高氢能损耗越多，其计算较为复杂，本文暂不考虑。以下针对氢能转化、电能消耗和热能利用三部分进行计算和仿真，假定系统运行功率范围为25％～75％额定工V01．36No．72016．7船电技术I应用研究况，得出系统能量参数随运行工况的变化规律。．7iJ—i1r“一书薯消一Ij。I储氢、供氧装置-燃料电池～＼JI热能Q一．I一●I回收热能QrI图l氢氧燃料电池系统能量利用原理图Heat—FC———一Heat_FCHeat=ater—————．一一eaL"aterv_H2—一V二一：V02—一V二。：

7、wod

8、统能量参数封装模型2．1氢能转化氢气所携带的化学能在燃料电池内部通过与氧气发生电化学反应转化成电能和热能。在氢能转化为电能和热能所涉及的相关参数中，系