（动力机械及工程专业论文）质子交换膜燃料电池发动机冷却系统仿真与废热利用.pdf

摘要 以清洁和可再生燃料氢气作为燃料的燃料电池凭其高效、低温高功率密度、 快速启动和零排放的特点引起人们的高度重视，最有可能成为新能源汽车的动 力装置。燃料电池发动机的工作效率大概在4 0 - - - 6 0 之间，内部约有4 0 5 - 6 0 的 能量耗散为热能，其热负荷达到传统汽车的两倍。燃料电池理想工作温度为6 5 - - - 7 0 ，工作时会产生大量的废热，其中9 5 以上通过冷却循环水带走，以保证燃 料电池在合适的温度下工作。燃料电池废热为低品位能量，但根据燃料电池的 特点，可对尾气能量回收利用。论文采用模拟仿真方法研究p e m f c 冷却系统散热， 并探讨其废热利用方式。 本文首先探讨了基于g t - c o o l 软件的燃料电池发动机冷却系统建模方法， 主要包括以下内容：介绍了燃料电池发动机冷却系统仿真的数学模型，详细分 析了所采用的物理模型，包括燃料电池发动机模块以及冷却系统模块。其次， 运用g t c o o l 软件建立了3 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机冷却系统的一维仿 真模型，该模型主要由电堆、水泵、风扇和散热器子模型组成。利用该模型对 燃料电池在各工况点的冷却系统散热特性进行仿真，并将仿真结果与实验数据 进行比较分析，仿真结果与实验值的相对误差在5 以内，证明模型是合理的。 在此基础上探讨了主要参数对冷却系统的影响；利用c m c o o l 软件建立大功率 燃料电池发动机冷却系统模型，通过对仿真结果对比分析，对各个模块化方案 进行选择。 能量回收再利用技术在任何动力系统中都是不容忽视的技术，对于燃料电 池发动机系统实现其尾气的能量回收再利用具有非常重大的意义。本文提出一 种能量回收方式：尾气水分回收装置。该装置利用尾气对阴极进气空气进行加 热，同时使尾气温度降低，对尾气中的水分进行回收，若氢气与空气反应生成 水能全部回收，则燃料电池发动机发动机初次补充加湿水后，在连续工作过程 中无需再加加湿水。 关键词：质子交换膜燃料电池；冷却系统；g t - c o o l ；仿真计算 a b s t r a c t f u e lc e l lf u e l e d 谢mh y d r o g e n , ar e n e w a b l ef u e l ，c h a r a c t e r i z e db yi t st r a i t so f l l i g he f f i c i e n c y , l o wt e m p e r a t u r e ，h i 曲p o w e rd e n s i t i e s ，q u i c ks t a r ta sw e l l 笛i t s z e r o - e x h a u s t ，a t t r a c t sh i g l l l yc o n c e r n s ，i ti st h em o s tp o t e n t i a lp o w e r t r a i nf o rn e w e n e r g yv e h i c l e s t h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fs u c hf u e lc e l le n g i n ei sa b o u t4 0t o6 0 p e r c e n t ，w i t h4 0t o6 0p e r c e n to fi t si n n e re n e r g yb e i n gt r a n s f e r r e di n t oh e a t ，w h i c hi s t w i c ea st h a to fe n g i n ec o n s u m i n gt r a d i t i o n a lf u e l t h ep e r f e c to p e r a t i n gt e m p e r a t u r e f o rs u c hf u e lc e l li sb e t w e e n6 5 a n d7 0 。c d u r i n gi t so p e r a t i o n , i tw i l lg e n e r a t e l a r g ea m o u n to fw a s t eh e a t ，o v e r9 5p e r c e n to fw h i c hw i l lb et a k e na w a yb y r e c i r c u l a t e dc o o l i n gw a t e r , s oa st oa s s u r ea p p r o p r i a t et e m p e r a t u r et oo p e r a t e w a s t e h e a ti nf u e lc e l le n g i n e si sl o w e r - v a l u ee n e r g y , t h ee n g e r g yi nt h re x h a u s tg a sc a nb e r e c y c l e da n dr e u s e d i nt h i st h e s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e dt or e s e a c ht h e p e m f c e n g i n ec o o l i n gs y s t e m ，a n dd i s c u s sw a s t eh e a tu t i l i z a t i o n f i r s t l y , f u e ls t a c kc o o l i n gs y s t e mm o d e l i n gm e t h o db a s e do ng t - c o o l s o f f e e a r ew a sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i ni t e m si n c l u d et h ef o l l o w i n g ：t h e m a t h e m a t i cm o d e l sa p p l i e dt os i m u l a t i o nw e r ei n t r o d u c e da n da p p r o p r i a t ep h y s i c a l m o d e l sa d o p t e di nt h i st h e s i sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l sw h i c hi n c l u d ef cs t a c km o d e l a n dc o o l i n gs y s t e mm o d e l t h e n , t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fg t c o o ls o f t w a r e ，a o n e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e li sm a d e i ti sac o o l i n gs y s t e me n g i n eo fp e m f c w i t hap o w e ro f3 0 k w i ti sm a d eu po ff u e lc e l ls t a c k , ap u m p ，af a na n dar a d i a t o r s u c hm o d e li su s e dt oe m u l a t eh e a tr a d i a t i o no ft h i sf u e lc e l lc o o l i n gs y s t e m ，t h u s m a k i n gac o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t a , w i t ht h er e l a t i v e e r r o rb e i n gc o n t r o l l e dw i t h i n5p e r c e n t m e a n w h i l e ，i nt h i st h e s i s ，i t a p p l i e s g t - c o o lt od i s c u s s e st h ee f f e c to ft h o s em a j o rp a r a m e t e r sh a v eo ni t sc o o l i n g s y s t e m f u r t h e r m o r e ，i tu s e sg t - c o o l t om a k eac h o i c ea m o n gk i n d so fp r o g r a m s o nm a k i n gh i 曲p o w e rf u e lc e l lc o o l i n gs y s t e m ni su n i g n o r e di na n yd y n a m i cs y s t e mt or e c y c l ea n dr e u s ee n e r g y t h i si sa l s o s i g n i f i c a n tf o rf u e lc e l ls y s t e mt od os o i nt h i st h e s i s ，i tp r o v i d e saw a yf o re n e r g y r e c o v e r yb yi n s t a l l i n gar e c l a i m e rf o rt h ew a t e rw i t h i nt a i lg a s e s t h i sr e c l a i m e r m a k e su s eo ft a i lg a s e st oh e a tt h ec a t h o d ei n l e t ，s oa st oe l i m i n a t en o i s e sa n dr e d u c e i i t a i lg a st e m p e r a t u r et or e c y c l et h ew a t e ri ni t t h u s ，a f t e rt h ep r i m a r ys u p p l e m e n to f w a t e r , t h e r e sn on e e df o ras e c o n do n ee v e nd u r i n gc o n t i n u o u sw o r k i n g p e r i o d k e yw o r d ：p e m f c ；c o o l i n gs y s t e m ；g t o c o o l ；s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另l j j j t l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：煳 日期：亚丝 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名) 槲导师c 尹苫日期叫 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 环境更友好、效率更高的电源产品是当前的一个发展趋势，这使人们对替 代燃料和电源产生了巨大兴趣。燃料电池是一种较早前就提出的能量转换技术， 但直到最近十年才开始广泛研究如何将之用于商业目的。对化石燃料燃烧产生 之能量的依赖造成了严重的空气污染和对世界石油资源的疯狂开采。除了对许 多物种( 包括人类自身) 的健康造成危害之外，污染还间接导致世界气候的变 化( 全球变暖) 。世界人口急剧增长，对化石燃料燃烧发电的需求越来越大，全 球变暖的形势因此也变得越来越严峻。除了健康和环境问题之外，另一个令人 担忧的问题是世界化石燃料的储量正急剧减少。我们的世界真的需要一种低污 染物质排放、高能量效率的电源，并且面对日益增长的世界人口，要求能够提 供源源不断的燃料。燃料电池被认为是能实现这些目标的、最有前途的技术之 一【l 】o 人们还研究和开发了许多其他替代能源技术，包括太阳能、风能、水力发 电、生物能源、地热发电等。每一种替代能源都有其优点和缺点，并正处于不 同的开发阶段。此外，这些能源技术中的许多技术无法用于移动式或便携式电 子设备。其他的便携式电源技术，如电池和超级电容，也不适用于移动场合、 军用场合，无法满足未来电子设备的长期需求。 对众多应用而言，一种理想的电源方案是综合使用氢燃料电池和太阳能发 电或水力发电。相比其他燃料，氢不产生一氧化碳或任何其他污染。当它输入 燃料电池时，唯一的副产品是水和热。当需要电能时，氧与氢重新结合生成水。 燃料电池可以利用一系列燃料来产生电能，从氢、甲醇、化石燃料到源自 生物燃料的材料。使用化石燃料产生氢被认为是制氢的一种过渡方法，在氢基 础设施建立之前，在燃料电池中使用甲烷、甲醇或乙醇。燃料也可以来自众多 的生物燃料，包括来自市政废物、下水道淤泥、森林残渣、垃圾站，以及农业 和动物废物产生的沼气。 与大型电厂合作，燃料电池也有助于电力供应，使之变得更加分散，并提 高效率。利用化石燃料燃烧发电的大型电厂，其产生的大多数电能通过高压输 电线路进行远距离传送。由于其规模巨大，这些电厂的效率看起来很高；不过， 武汉理工大学硕士学位论文 在远距离传送过程中，在欧洲，7 8 的电能损失了；在美国，1 0 的电能损 失了。这些输电线路的其中一个主要问题是任何时候它们都无法完全发挥作用。 如果不是在若干个大型发电厂发电，而是在需要电能的地方发电，那么对人而 言，将变得更加安全。在任何需要电能的地方都可以使用燃料电池，而无需大 型输电线路。 能源危机和环境污染使得人类社会的可持续发展问题正面临严峻挑战。根 据国际能源机构预测，人类对能源的依赖越来越严重，在未来的二十年内，能 源的消耗将翻倍。所以人类必须尽快找到可持续发展并且是清洁的能源，因为 不可再生资源消耗的同时带来了严重的环境污染。由于燃料电池电池是通过电 化学反应产生电能，从而不涉及燃烧过程，使得其效率达到传统动力装置的2 3 倍。质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 具备启动快、加速性能响应好、发电效率 高以及可靠性好等优点，使得它成为燃料电池领域中最可能商业化以及实用化 的燃料电池，在全世界掀起研究的热潮。世界主要的汽车生产商预计质子交换 膜燃料电池汽车将在未来十年实现商业化。因为燃料电池汽车适应未来社会发 展的需要，并且在技术上是完全可行的。虽然燃料电池汽车在最近几年不会大 规模进入市场，如今燃料电池汽车已经在公交车等公共交通工具上使用。 随着我国经济快速发展，对能源的依赖也日益严重，目前我国的2 3 能源 依靠进口。随着工业化进一步加强，以及人们对生活水平的提高，汽车将走迸 千家万户，随之而来的就是能源需求量持续增加以及环境污染日益加深。所以 为了解决当前面临的各种问题以及能源瓶颈，借助燃料电池热潮，为实现我们 经济弯道超车，研究和开发燃料电池电动汽车己成为国家重点攻关项目之一。 在当今燃料电池研究领域，学者都将目光聚焦在燃料电池本身的结构以及 其构成，研究其内部的传热传质以及其工作特性。温度对于燃料电池性能影响 极大，而燃料电池的废热主要由冷却循环水带走，所以冷却系统极其重要，冷 却系统的效果如何直接决定了燃料电池工作温度。对于冷却系统研究，在内燃 机领域已经取得了很多成果，如果能将其一些研究结果运用于p e m f c ，将可以使 p e m f c 冷却系统研究少走许多路。大功率质子交换膜燃料电池是我国知识项目创 新工程重大项目口，虽然目前取得一些进展，但是依然存在着很多问题，特别对 于大功率燃料电池冷却系统，对其部件选型以及匹配依旧是一个难点。所以通 过相关的物理模型，建立冷却系统的仿真模型，同时与实验相对比，进而对大 功率燃料电池冷却系统进行全面的分析，同时对各主要部件的参数进行优化。 燃料电池本身具有很高的能量密度转换( 4 0 - - - 6 0 0 o ) ，如何进一步提高其效 2 武汉理工大学硕士学位论文 率关键在于废热的利用。 1 2 燃料电池冷却系统国内外研究现状 近年来，在燃料电池领域的行业领导者是巴拉德公司，从1 9 9 3 年开始，巴 拉德陆续地推出了1 2 0 k w 公共汽车，以及2 0 0 k w 的汽车。世界各大汽车厂商都 陆续推出了质子交换膜燃料电池汽车，例如：奔驰公司、丰田等。燃料电池汽 车以氢气作为燃料，具有清洁和可持续发展的特性，从而达到零排放以及解决 能源危机的双重意义。所以燃料电池汽车是目前最具商业化潜质的交通替代汽 车。 随着我国经济快速的发展，对于能源的依赖也越来越严重，目前，我国每 年需要进口的能源达到所消耗的2 3 ，能源危机成为我国面临的问题之一。目前， 燃料电池汽车已经进入了“8 6 3 一计划，是电动汽车专项项目重点之一，强调了 在燃料电池领域需要有自主研发以及掌握核心技术的必要性，同时提出希望中 国汽车行业能在新能源汽车方面取得重大突破，以期改变目前中国汽车制造过 度依赖国外核心技术的现状。在政府以及企业的支持下，我国在燃料电池领域 的研究也取得了巨大突破。从1 9 9 2 开始，中科院便开始了相关的基础性研究工 作，同时于1 9 9 5 年陆续推出了各个功率级别的燃料电池堆。同时，在各个高校， 如武汉理工大学，上海交通大学，清华大学等也开展了燃料电池领域工作。武 汉理工大学率先组装了2 5 k w 质子交换膜燃料电池汽车：“楚天一号 ，随后陆续 组装了5 0 k w 、l o o k w 大功率燃料电池发动机，在电池性能上也获得较大的提高。 大功率燃料电池是研究与开发的热点和难点问题之一，特别是大功率质 子交换膜燃料电池电动汽车，其热负荷可能达到传统汽车的两倍口1 ，具体燃料 电池发动机与内燃机散热对比如表1 - 1 ： 表1 - 1 燃料电池发动机与内燃机散热对比 发动机类型燃料电池内燃机 做功 5 0 3 3 排气散热 5 3 3 散热器排热 4 5 3 3 散热器工作温度 6 5 1 0 0 质子交换膜燃料电池产生废热主要有三种方式：反应生成热( 焓变引起) 、 欧姆极化热( 电池本身内阻消耗) 以及辐射热。同时废热散发途径有两种：通 3 武汉理工大学硕士学位论文 过冷却循环水从电堆内带走废热以及辐射热。由于辐射热相对较小，所以主要 依赖冷却循环水带走热量。由于p e m f c 和运行环境间较小的温差，要求用强迫 对流冷却散热。目前的散热技术是在电池组中设置带有冷却剂的蛇行流道双极 板，即排热板，用泵将冷却剂送到各冷却通道，以对流热交换方式将热量带走h 1 。 目前国外对于燃料电池( 单电池) 建模都是基于电化学隋吖1 ，反应动力学 以及实验数据，通过对反应过程的控制，致力于提高单电池的性能。对于电 堆模型，他们都集中在电堆本身，而忽略了两相流和电堆里的液态水，但是 气态和液态水对于电池的稳定性是非常重要的因素。x i a o c h e ny u 阳1 等人建立一 个巴拉德公司电堆水热管理模型，该模型通过对电堆供应气体条件以及对电堆 本身参数掌握，该模型可以很好地预测电堆的功率，温度，系统效率等，对于 电堆启动，快速变动负载以及停机，该模型也能反应电堆温度、电压以及功率 随时间的关系。对于大功率燃料电池，b o n n e t m 设计了一个8 0 k w 质子交换膜燃 料电池系统，通过对2 5 c m 2 单电池，5 片3 4 0c m 2 小电堆以及9 0 片3 4 0c m 2 电堆 的进行对比，得出它们的极化曲线类似，在阳极，阴极过量系数分别为2 5 、1 2 的时候性能最好。 在国内，许多学者对燃料电池冷却系统进行了实验性研究，张扬军n 2 1 建立 了车用燃料电池发动机热管理系统模型，该模型能考虑系统内各部件间及部件 与电池堆间的相互影响，通过调节冷却风扇转速来调整电池堆温度，通过调节冷 却水泵来保持电池堆进出口水温温差，并且散热器并联要优于散热器串联；武 汉理工大学n h 刀在对2 5 k w 燃料电池堆进行设计研究采用爱丽舍散热器，上面带 有电动风扇，通过高压水泵带动整个燃料电池电堆的去离子水循环系统的流动， 保证燃料电池电堆中电化学反应的正常、高效进行，严格控制电堆的温度( 如进 口6 0 ，出口7 0 左右) ，达到很好效果；许思传等人n 蚴1 在转鼓试验台架上进 行燃料电池汽车的整车试验，利用阶梯等速法研究散热器的工作性能。试验结 果表明，在不改变散热器布置的情况下，燃料电池在较低环境温度下散热很好， 但是当环境温度高于4 5 后，原有散热器的散热能力已无法满足燃料电池的要 求，需要对冷却系统进行改进。朱新坚等人一3 基于能量守恒原理建立了电堆的 动态热传输模型，加入冷却系统后，可以充分保证电堆在较理想的温度下运行。 模型仿真结果与实验数据能够较好吻合。同时在水热管理方面，国内外诸多学 者都进行了相关的研究口1 ，比较全面地展现了国内外有关水热管理的现状，同 时从多角度分析了燃料电池水热管理的重要性。对燃料电池辅助系统，主要阐 述了风机、水泵以及风扇等相关模型引。 4 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，随着汽车行业高速发展，出现了许多优秀的商业仿真软件，例如 本文所用的g t - c o o l 眺1 。为了不断降低成本以及在技术上得领先优势，汽车厂商 以及专家们对于冷却系统进行了许多研究工作口h ，主要是从以下几个方面进 行相关研究：采用高效的散热器以及风扇、增大对数平均温差、改善循环水以 及散热器的布置位置等。日本通过对百叶窗改进工作以达到提高传热的目的； 而美国通过提高冷却液进出发动机以及散热器的温差的途径来达到提高散热， 提出在发动机冷却系统设计过程中，一方面尽可能提高散热器内冷却液的进、 出口温差；在发动机行业，德国一直处于行业领航者的位置，奔驰，宝马等汽 车厂商都在德国，他们通过采用高温冷却技术，主要包括高低温双循环回路冷 却系统，使得散热器尺寸大大减小，并取得非常好的效果： 1 3 燃料电池废热利用国内外研究现状 对于使用任何燃料的动力系统，能量回收都是十分重要的。而回收燃料电 池发动机尾气的能量同样具有显著的意义h 州1 ：首先，通过回收尾气的能量并采 取相关措施，可以进一步减少尾气中有害气体，从而实现真正意义上的“零排 放 ；其次，还在于通过对尾气能量的回收再利用，提高燃料电池发动机系统的 整机效率和经济性，这一点相对来说也更重要。由于质子交换膜型燃料电池属 于低温燃料电池，故其排放尾气的温度较低，通常在7 0 左右，所以尾气中主 要存在的可进一步回收再利用的能量形式有两种：第一，目前大多数质子交换 膜燃料电池采用增湿装置，因为增湿有利于保持p e m 的水含量，从而提高电池 性能，而增湿所需温度也即反应温度，所以可以利用反应生成的水通过固定的 加湿装置为阴极进行加湿：第二，经过燃料电池反应堆后的尾气主要为压力能， 其尾气压力要高于大气压力。由于燃料电池不受卡诺循环的限制，决定燃料电 池电堆输出功率大小的主要是气体的密度( 也即流量) 以及压力。所以利用尾气 的压力能推动涡轮增压器，继而提高进气的压力以及密度，从而提高燃料电池 的反应效率，以增大其输出功率。 1 4 主要研究内容与方法 本文将建立一个方便快捷的燃料电池发动机冷却系统仿真计算平台，主要涉 及燃料电池发动机冷却系统研究设计的参数计算、工作原理的研究与改进、仿 真计算、性能预测分析，旨在为燃料电池发动机冷却系统的研究和设计提供方 5 武汉理工大学硕士学位论文 便快捷的计算平台。本文基于仿真分析软件g t - c o o l 建立某3 0 k w 燃料电池发动 机冷却系统进行仿真模型，并与实验相结合，对模型进行调试、校准，进而分 析冷却系统对燃料电池电堆的影响，研究冷却系统对其影响，实现大功率燃料 电池冷却系统模块化设计，使大功率燃料电池电堆性能最佳，并且探索大功率 燃料电池废热利用途径，为大功率燃料电池冷却系统及电堆设计提供依据。为 此本文做了以下工作： ( 1 ) 燃料电池冷却系统建模与仿真 本课题以燃料电池发动机为具体的研究对象，对燃料电池发动机冷却系统 性能进行相关研究，基于传统发动机冷却系统模拟软件：g t - c o o l 对其进行模拟 仿真分析。通过对冷却系统性能的分析，为其选型打好坚实基础。并且通过仿 真计算结果与试验实测数据进行对比，验证该模型对冷却系统性能预测分析的 准确性与可信性。 ( 2 ) 大功率燃料电池冷却系统模块化设计及冷却效果研究 大功率燃料电池一般是由几个相同性能或者性能相近的较小功率燃料电池 组合实现。对于其冷却系统，则可以考虑其模块化设计，通过设计不同模块化 方案，研究不同方案对大功率燃料电池发动机冷却系统的效果，如温度分布均 匀性，电堆整体性能等等，选择最优方案。 ( 3 ) 燃料电池废热利用研究 初步研究利用燃料电池废热对电堆阴极进气( 空气) 进行加热的作用和效 果，依据试验结果提出改进方案。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池发动机冷却系统的总体方案研究 冷却系统的功用是使燃料电池发动机获得可靠和有效工作的热状态。保证 燃料电池发动机在各种不同的环境温度和运转工况下都能具有最佳的热状态， 既不过热，也不过冷，有良好的工作可靠性。 2 1 燃料电池发动机系统 燃料电池汽车与其他动力系统汽车不同之处在于使用燃料电池发动机替代 了其他使用石油类动力系统。燃料电池堆产生的电能经过相关的电能转换装置， 使得电能最终转变为机械能输出，为汽车提供足够的动力。在燃料电池发动机 系统还有一个蓄电池，用于充电以及放电，在启动、爬坡以及加速时提供辅助 功率，以满足汽车对于动力的需求。 质子交换膜燃料电池发动机的组成既要满足燃料电池电堆运行的基本要 求，也要对燃料电池的附属系统进行监测，以保证燃料电池汽车正常运行，需 要具备与其他动力系统汽车一样的功能。因此，使用质子交换膜燃料电池发动 机的汽车除了氢气、空气供给系统之外，还必须具备冷却系统、功率指示系统、 安全系统以及必备的一些通讯相关系统，如图2 1 。具体各个系统的组成部分如 下所示： ( 1 ) 氢气供给系统 燃料电池作为清洁能源在于它使用的是氢气，由于氢气密度小，所以氢气 的供给系统必须是高纯度以及高压力的，在氢气供应系统出口需要设立传感器 用来指示其瓶内的压力以及氢气的状态。 ( 2 ) 空气供给系统 燃料电池发动机的原理是由氢气与氧气发生电化学反应，所以除了保证充 足的氢气供应以外，还有要保证氧气或者干净空气的供应。由于燃料电池有加 湿的要求，所以在电堆的入口处，还要对其进行加湿控制。 ( 3 ) 冷却水循环管理系统 为保证燃料电池电堆在最佳工作温度工作，所以需要对温度t 进行监测与 控制，因此必须有一个热管理系统，并且与燃料电池发动机相符合。热管理系 7 武汉理工大学硕士学位论文 统由水泵带动冷却循环水进行强制循环，以防止温度过高带来安全隐患。 ( 4 ) 电功率测量系统以及报警管理系统 要测量电功率就必须监测燃料电池发动机工作时的电压及流过电堆的电 流。燃料电池电堆是氢气和氧气在质子交换膜上发生电化学反应而工作的，氢 气是危害气体，在极端的条件下中不稳定，安全是动力系统考虑主要因素。所 以为了确保不出现不安全情况的发生，有必要对系统进行全面跟踪与检测，确 保安全。燃料电池系统的报警装置主要有：1 水箱水位报警2 电导率报警3 氢气 进堆压力报警4 电堆出口水温报警5 循环水流量报警6 功率报警。 ( 5 ) 通讯系统 燃料电池发动机的通信系统主要由c a n 通信以及与p c 连接的通信两部分 组成。 唑信息控翻一2 易瑟 一信息控翻落z 琵冱z 代黛警0 叠圈圈露盈 图2 1 燃料电池发动机系统 2 2 燃料电池发动机热分析 2 2 1 热量的来源 燃料电池原理是通过氢气与氧气发生电化学反应产生电能，燃料电池发动 8 武汉理工大学硕士学位论文 机的实效率大概5 0 左右，即相同的功率产生相同的余热。质子交换膜燃料电池 系统内部的能量变化最基本的体现就在化学反应过程中反应物和生成物之间的 焓变，具体表现就是燃料电池的伏安特性曲线。燃料电池在阳极发生吸热反应， 同时在阴极发生放热反应；但对于总的反应而言，是一个放热反应。即： 阳极吸热反应：皿一2 日+ + 2 矿+ q 口 ( 2 一1 ) 阴极放热反应：4 日+ + d 2 + 4 矿叫2 吼d + q ( 2 2 ) 1 总反应式为：易+ 去d 2 丝与心o ( 2 - 3 ) 二 由公式( 2 3 ) 可得，在电化学反应过程中生成水，同时释放出热能( h e a t ) 以及 电f l 邑( e l e ) 。在室温以及普通大气压条件下，当生成物的状态为液体水，氢气与 氧气反应，产生的焓变值约为2 8 5 8k j t o o l ，产生的热量为4 8k j t o o l 。所以，在 理想状态下，消耗l m o l 的氢气产生2 3 7 1k j m o l 电能以及4 8 7k j m o l 的热能。 但是由于电池由双极板组成，其本身具有一定的内阻，所以会消耗一部分电能 转化为热能。于是，电堆产生的废热即为焓变减去有效功率。l m o l 氢气反应的 具体过程如下： 一日= - t a s + 2 f 木k = 2 f ( 2 _ 4 ) a l t e a t = 一a t t 一眈= l 垃( 一v o u t ) ( 2 - 5 ) 其中：= 1 2 3 v 2 1 4 8 v 式( 2 q 、( 2 - 5 ) 中，f 为法拉第常数；为理想情况下电池单体的输出电压； a h e a t 为电池单在垃时间内的发热量； 乙为电池单体的实际输出电流； v o u t 为电池单体的实际输出电压；a t 为时间长度。 2 2 2 热量的散发途径 本文研究的p e m f c 的工作最佳温度为6 5 7 0 ，比室温略高一些，使得 它的热负荷相对于内燃机大了许多，必须把燃料电池产生的废热排出。燃料电 池产生的废热主要以3 种方式排出，即与大气热辐射a q ”由于电堆温度升高， 生成水通过汽化散热带走q 口以及循环冷却水通过热交换带走热量，即 a q = q + q ，i f + ，当然，还有- d , 部分热量由反应气带走，由于进出气温 差不大，同时气体比热容很小，这部分可以忽略不计。以下介绍它们的散热量： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 燃料电池通过自身向大气环境输出射能量，是一电磁波辐射的形式传递能力， 能量的大小与其表面积成正比，同时与电堆的温度相关联，温度越高，辐射热 带走的能量越多。由辐射热计算公式可得3 0 k w 电堆产生的辐射热大概为2 4 0 w 。 ( 2 ) 随着电堆温度逐渐升高，氢气与氧气反应生成水中的一部分水受热( 吸收热 量) 被汽化，所以汽化带走的热量由水汽化的比例决定。由于电堆的工作温度 低于8 0 ，所以只有少部分的水汽化，据相关文献论述，3 0 k w 的电堆由水汽化 带走的热量不大于3 5 k w u 刚。 ( 3 ) 冷却循环水从电堆中的双极板流过，与电堆产生热交换，经过散热器时与空 气进行强制对流换热，散热量的大小与温差，以及散热器的散热能力等相关联。 燃料电池电堆在额定工况下的功率约为5 0 ，所以产生3 0 k w 电能的同时产生 3 0 k w 的热量。辐射散热和汽化散热占据份额不大，因此，燃料电池的废热散失 主要是依靠冷却系统中的冷却液循环散热，约占总量的9 0 左右。由于在设计 中要留出散热裕量，故上式可简化为为a q = 。为了使温度达到最终稳定在 燃料电池最佳工作温度，就要通过上述的散热方式把电池内部产生的废热排出。 2 3 保持燃料电池发动机热平衡的必要性及对冷却装置的基本要求 2 3 1 保持燃料电池发动机热平衡必要性 为了探究温度对电池性能的影响原因，就必须要了解燃料电池中哪些参数 与温度息息相关，具体参数如下所示： ( 1 ) 进入电堆的气体的组成布局，由于燃料电池阴极阳极进气都需要加湿。 若在饱和加湿的情况下，当温度发生变化时，水蒸汽所占比例将增大。 ( 2 ) 随着温度升高，气体扩散速率增加，反应速率变快，所以燃料电池电流 密度也随之增加。 ( 3 ) 温度升高，则质子扩散的速率也相应增加，从而使得质子交换膜的内 阻减小。但与之同时，温度到达某个临界点时，温度过高使得膜的含水量大大 减小，因为水蒸发速率更快。膜含水量减少将增加质子传输的阻力，从而增加 膜的内阻。所以质子扩散速率与温度关联度很大。 ( 4 ) n e r n s t 方程显示，开路电压与温度变化成反比，但在实际试验过程中， 温度升高，开路电压增大。这可能是因为温度升高，氢的扩散能力随之提高， 从而加快了电堆内部的反应速率。 ， 温度对于低电流密度的影响主要在于以下几个方面：温度升高，促进气体 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 扩散速率，提升反应速率，即提高了电流密度。当加湿量一定时，温度升高， 则气体所需要加湿的水量会增加，即饱和加湿气体中水蒸汽的成分增加，相应 地，氧气的成分减少，以上两因素叠加在一起，则相互抵消。在中间电流密度 区时，欧姆极化是影响电池性能的最重要因素，因为电池本身具有一定的内阻， 并且内阻随着质子交换膜中的水含量变化而变化。当膜水蒸发过快时，膜会变 干，电阻随之增加，因为在同样的电流密度下，质子传导速率由膜的含水量决 定，所以欧姆极化损失与膜的含水量有很大关联。 在高电流密度区，浓差极化是最重要的影响因素，亦称作浓差极化区，此 时燃料电池的电压受传质阻力影响很大，随着温度的升高，氧气的扩散速率增 加。当加湿量一定时，温度升高，则气体所需要加湿的水量会增加，即饱和加 湿气体中水蒸汽的成分增加，相应地，氧气的成分减少，所以会影响氧气的扩 散速率。与此同时，液态水的表面张力等参数随着温度升高而降低，即液态水 扩散速率也会增加。当化学计量比以及湿度不变时，气体流量随着温度升高而 增加，气体流速增大，同时对流系数随温度升高而增大。 由于电池的实际工作效率，燃料化学能通过电堆转化的电能和热能约各占 一半。燃料电池的热管理，主要就是对电池内部流动和传热进行控制，有效地 利用和散发这部分废热，保持电池内的热平衡。温度的变化对电池性能影响很 大：温度较低时，电池内各种极化加大，由于质子在膜中的扩散速率低，使得膜 内阻增加，即电化学反应产生的电能过多地转化为热能，使得电池的性能较差； 当温度升高时，虽然质子扩散的速率增大，降低膜内阻，电池性能会相应地提 高。当温度过高时，由于膜严重失水，使得质子的扩散速率受阻，电导率降低， 将会使电池性能直线下降。质子交换膜燃料电池性能受温度影响的最主要原因 是：反应物质的扩散过程和传递速度随着温度的升高而升高，同时催化剂的效 率增强，使得电化学反应加快，从而使得电池性能变得更好。温度升高使得日+ 传递速度加快，日+ 的膜电阻减小、电导率增大；使p e m 内的水扩散系数增加， 阴极电化学反应生成的水向阳极扩散的速度加快，使得p e m 内的水分布均匀，有 利于反应进行。因此，需要保持燃料电池内部的热平衡，使其在一定的温度范 围内工作。当电池的功率达到l k w 以上时，必须采用水冷却的方式带走电堆产生 的废热以保证电池在最佳工作范围之内工作。在采用水冷方式之后，燃料电池 发动机所有达到热管理的要求如下： ( 1 ) 燃料电池最优工作环境：质子交换膜燃料电池平均单电池的工作电压 通常设定在0 6 0 - - 0 7 5 v 的范围内，在此范围内，电池组效率大约5 5 左右，亦 武汉理工大学硕士学位论文 即电堆的功率多少将产生多少热量，所以为了确保燃料电池在最佳工作范围内 工作，必须有一个冷却循环水装置将系统中的废热尽快地排除，同时还必须确 保电堆不出现局部过热情况。在燃料电池领域采用最多的是在燃料电池设置双 极板，及在单电池之间设有排热板。使用去离子冷却循环水将该热量带走，以 保证电池在最优工作环境工作，使得电堆安全可靠地运行。电池最优工作温度 范围为6 5 - - - 7 0 之间。同时还需要确保氢气亦即空气进气温度与电堆最佳工作 温度一致，因此要在气体在进入燃料电池前进行预热加湿。 ( 2 ) 电堆温度一致性：温度对电堆的影响很大，所以如果电堆出现局部过 热亦即电堆某区域温度过高将对电堆性能影响较大，同时电池的热管理也更加 困难，所以对于冷却循环水进出堆温差的要求是小于1 0 ，在可能的情况下， 小于5 。 ( 3 ) 最高温度的控制：所有燃料电池动力系统的组成部件，都必须在某个 温度点以下才能正常工作，所以必须控制系统中的最高温度。若燃料电池堆某 区域温度大于1 0 0 时，将对质子交换膜造成破坏，出现微孔，使氢气与空气混 合，将可能爆炸，导致严重的安全事故。 2 3 2 燃料电池发动机冷却系统装置的基本要求 在为燃料电池发动机设计冷却系统时，首先需要考虑的是燃料电池发动机 一些最基本要求，如所需带走的散热量等，使得冷却系统能确保燃料电池发动 机安全、可靠以及高效地运行。冷却系统总体设计要求就是要保证燃料电池发 动机热平衡。对于冷却装置要求如下： 冷却装置结构紧凑、质量轻； 冷却装置能保证燃料电池发动机在正常最佳工作温度条件下工作，同时冷却 风扇及水泵消耗的功率最低； 在各种气候条件下，冷却装置应保证冷却系统各部件在正常热负荷状态下可 靠稳定地工作； 散热器的空气进气装置应具备较好的空气动力学性能； 冷却系统布置合理，便于安装、拆卸和监测。 2 4 燃料电池发动机冷却系统工作原理图的确定 燃料电池发动机由于其废热主要由冷却循环水带走，所以当功率大于l k w 时都必须采用水冷型冷却系统，水冷却系统主要包括：散热器、水泵、风扇、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 膨胀水箱等部件。其基本工作原理是：冷却水由水泵驱动，先后经过燃料电池 堆以及散热器，通过散热器时，与空气进行强制对流换热。主要从下列几个方 面考虑冷却系统工作原理图构成： ( 1 ) 循环水路 冷却系统设计主要采用的循环水方式有以下三种：独立循环水路系统以及 单双循环水路系统。对于燃料电池发动机其冷却对象仅为燃料电池堆本身，所 以采用单循环水路系统。 ( 2 ) 水系的封闭性 水系分为开式和闭式两种。闭式水循环系统是指给封闭的水循环系统施加 一定的压力，可使水的沸点有所提高。开式水循环系统是指整个冷却水系统与 大气相通，水系统中的压力大小等于大气压。在冷却循环水温度不高于8 7 时 可以采用开式水循环系统。闭式水循环系统具有结构复杂，水系内的压力较高， 因而对部件承压以及水管接头处的密封与紧固等方面提出较高要求，也相应地 提高了制造成本等缺点。由于燃料电池堆工作温度不得超过8 0 ，所以开式水 循环系统满足要求。 燃料电池发动机冷却系统设计首先要根据燃料电池发动机相关参数，冷却 系统所需带走最大散热量以及燃料电池发动机的工作环境特点，确定一个合理 的冷却系统工作原理图。同时利用冷却系统相关的成熟经验，拟定各部件参数 以及对冷却系统进行一些模拟仿真和全面的性能预测。本文确定的某3 0 k w 燃料 电池发动机冷却系统工作原理图如图2 - 2 所示。 图2 2 燃料电池发动机冷却系统 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了燃料电池发动机系统的组成，对燃料电池发动机热量的来源及其 散发途径进行了详细地分析，分析了保持燃料电池发动机热平衡的必要性，以 及对冷却装置的一些基本要求，确定了燃料电池发动机冷却系统工作原理图。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章燃料电池发动机冷却系统仿真数学物理模型 3 1g b c o o l 简介 本章采用的g t - c o o l 软件是专门为传统内燃机发动机冷却系统设计开发的 仿真分析软件。该软件基于连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程等基 本的流体力学以及热力学理论，采用隐式格式流动求解器，使得求解快速、稳 定、可靠。g t c 0 0 l 软件具有很强大的分析功能，能对冷却系统进行很全面的， 专业地分析。g t - c o o l 软件分为前、后处理两个部分。前处理模块主要包括建立 发动机冷却系统所需的模型，如：发动机机体、水泵、风扇、散热器、膨胀水 箱等。可以模拟空气侧、冷却水侧以及其它流体系统。其主要作用是建立发动 机冷却系统一维仿真计算模型，根据冷却系统组成部件的结构参数和运行参数 对各个参数进行设置，仿真计算、优化计算以及性能预测分析。g t c o o l 软件的 后处理由g t p o s t 模块来完成，g t - p o s t 模块是一个功能非常强大的数据分析工 具，可以显示、查看、处理由前处理模块提供的计算结果，所提供的数据分析 法比通用的数据处理软件更加有效。当改变模型重新进行仿真计算，通过选中 改变参数选项，g t - p o s t 中查看的结果会自动更新，可以对冷却系的压力分布、 温度分布、流量分配、换热量变化以及各部件主要参数等进行详细描述与分析， 进而可以对发动机冷却系统各部件以及总体性能指标进行全面分析。g t c o o l 软 件具有强大扩展功能，可以与s t a r - c d 藕合计算