（动力机械及工程专业论文）25kw+fcps温度管理系统的设计及仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 温度管理系统是燃料电池动力系统( f c p s = f u dc e l lp o w e rs y s t e m ) 开发 的关键技术之一，特别是对于质子交换膜燃料电池( p e m f c - p r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l ) 发动机，虽然它具有能量转换效率高、工作温度低、无污染、 比功率大、启动迅速等优点，但是内部约有4 0 - - - 5 0 的能量耗散为热能，其热 负荷达到传统汽车的两倍，这对温度管理系统的设计提出了更高的要求；同时， 计算机技术的发展，使得对f c p s 温度的自动控制成为可能。因此对f c p s 温度 管理系统进行仿真研究倍受重视。本文针对2 5 k wp e m f c 动力系统温度管理问 题，对温度管理系统的设计和仿真进行了研究。 通过分析温度对f c p s 核心部件电堆的基本参数和性能的影响，论述了 f c p s 温度管理的重要意义。然后，通过分析f c p s 温度管理系统的功能、设计 目标和要求，对2 5 k wf c p s 温度管理系统进行了设计，重点确定了冷却方式和 系统的工作过程；并对该款f c p s 温度管理系统的关键部件散热器和水泵进 行了匹配计算，为其选型提供了理论依据。 通过对f c p s 温度管理系统的燃料电池堆子模型、散热器( 含散热风扇) 子 模型、水箱及管道子模型的数学物理化分析，并结合f c p s 的研发工作，采用 多变量模糊控制的方法，在m a t l a b s i m u l i n k 平台上建立了2 5 k wf c p s 温度管 理系统的仿真模型。整个系统模型包括燃料电池堆子模型、散热器( 含散热风扇) 子模型、水箱及管道子模型和控制单元子模型。然后对f c p s 温度管理系统进行 了温度控制仿真计算，仿真结果满足f c p s 温度管理系统的要求。 文章最后根据设计的f c p s 温度管理系统搭建了试验台架，运用模糊控制方 法建立起来的温度控制策略，对仿真结果进行试验验证，验证了仿真结果的准 确一陛。 关键词：燃料电池动力系统，温度管理系统，设计，仿真，模糊控制 武汉理下大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e mi sam a i nt e c h n i c a lo ff u e lc e l lp o w e r s y s t e m ( f c p s ) d e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yf o rp e m f ce n g i n e , a l t h o u g hi t h a sg r e a t a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , l o ww o r k i n gt e m p e r a t u r e ，n op o l l u t i o n ，f a s t s t a r t u p ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n ds oo n ，t h eh e a to ft h ep e m f ci sn o n r e v e r s i b l ea n d n e a r l y4 0 - - 5 0 o ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o ni sh e a te n e r g y i t sh e a tl o a d sc a l ld o u b l e t h a to fan o r m a la u t o m o b i l ew i t he q u i v a l e n tp o w e r , w h i c hm a k e sh i g h e rd e m a n d so n t h ed e s i g no ft e m p e r a t u r em a n a g e m e n t s y s t e m a tt h es a m et i m e , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lo ff c p s ss y s t e m t e m p e r a t u r eb e c o m er e a l i t y t h u s ，r e s e a r c ho nt e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m s i m u l a t i o no ff c p so b t m n sm o r ea t t e n t i o n t h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c h e so nt h e d e s i g na n ds i m u l a t i o no f2 5 k wp e m f cp o w e rs y s t e m st e m p e r a t u r em a n a g e m e n t s y s t e m b a s e do na n a l y z i n gf c p s sb a s i cp a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c e ，w h i c hw a s i n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e ds i g n i f i c a n c eo ff c p s st e m p e r a t u r e m a n a g e m e n t ，t h e nd e s i g n e d2 5 k wp e m f cp o w e rs y s t e m st e m p e r a t u r em a n a g e m e n t s y s t e mb ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o n ，d e s i g nt a r g e ta n dr e q u i r e m e n to ff c p s s t e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m ，e m p h a t i c a l l yd e t e r m i n e dc o o l i n gm e t h o da n d w o r k i n gp r o c e s so fc o o l i n gs y s t e m ；f i n a l l y , m a t c h e dc a l c u l m i o nf o rf c p s s t e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i cf o rr a d i a t o ra n d w a t e rp u m p t h ep a p e ra n a l y z e df c p s st e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e ms u b m o d e lb y m a t h p h y s i c sm e t h o d ，t h es u b m o d e li n c l u d e sf u e l c e l ls t a c ks u b m o d e l ，r a d i a t o r s u b m o d e l ，w a t e rt a n ka n dc o n d u i ts u b m o d e la sw e l la sc o n t r o lu n i ts u b m o d e l ，a tt h e s a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ko ff c p s ，u s e d m u l t i v a r i a t ef u z z yc o n t r o lt h e o r y , e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e lo f2 5 k wp e m f c p o w e rs y s t e m st e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e mi nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m t h e n s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dt h ef u e lc e l lf c p s st e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m t h e s i m u l a t i o nr e s u l tm e e tr e q u i r e m e n to ff c p s st e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m i nt h ee n d ，t h ep a p e rp u tu pt e s tb e n c ha c c o r d i n gt of c p s st e m p e r a t u r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 m a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hh a dd e s i g n e di nf r o n tc o n t e n t ，u s e dt e m p e r a t u r ec o n t r o l s t r a t e g y , w h i c hh a de s t a b l i s h e db yf u z z yc o n t r o lm e t h o dt od oe x p e r i m e n t ，f i n a l l y ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l tv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo f t h es i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：f u e lc e l lp o w e rs y s t e m ，t e m p e r a t u r em a n a g e m e n ts y s t e m ，d e s i g n ， s i m u l a t i o n ，f u z z yc o n t r o l 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 l , l j n 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它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 第一代动力系统蒸汽机和第二代动力系统内燃机消耗了大量不可再生的自 然化石能源资源，并造成了严重的环境污染，为了解决经济发展与能源短缺及 环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技 术已成为十分紧迫的任务。 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景 随着传统能源储量的不断减少及其利用方式所造成的环境污染的不断增 加，人类必须尽快寻找开发能替代传统能源的新能源。而被称为第四代发电技 术的燃料电池( f c ) 是一种对氢能进行利用的能量转换装置，它可以连续地将 燃料( 氢气) 和氧化剂( 氧气或空气) 的化学能通过电化学反应直接转换成电能， 这个装置的最大的特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率 不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达6 0 - 8 0 ，实际使用效率是普 通内燃机的2 3 倍n 1 。质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 是作为继碱性燃料电池、 磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第 五代燃料电池乜1 。它的最大优点体现在使用可再生的能源资源氢气，生成反应物 为水，实现了零排放，且体积小、使用灵活、维修方便口1 ，此外，工作温度低、 发电效率高、可靠性高。2 0 世纪8 0 年代中期，由于电池材料和制备技术取得突破 性进展，使p e m f c 的性能大幅度提高，实用化前景愈加明朗，从而又掀起了迄今 仍然高涨的p e m f c 研发新阶段。 目前，许多发达国家都在投巨资研究和发展p e m f c 技术，我国政府也积极 支持这方面研究。加拿大b a l l a r d 是目前世界上机动车燃料电池研究与开发最成功 的机构。1 9 9 3 年，b a l l a r d 公司在温哥华科技展览会上推出了世界上第一辆以 p e m f c 为动力的燃料电池公共汽车示范车，功率1 0 5 k w ，最高速度7 2 4 k m h ， 一次填充燃料续驶里程为1 6 0 k m ，可载客2 5 人。1 9 9 4 起，b a l l a r d 与奔驰合作开 武汉理上火学硕+ 学位论文 n e c a r ( n e w e l e c t r i c a r ) 系列燃料电池汽车，已开发出n e c a r 第五代燃料电池汽 车，且n e c a r l 、n e c a r 2 这两款燃料电池示范车均使用氢气燃料h 吲。 戴姆勒一克莱斯勒( d c x ) 在f c e v 领域一直是世界领先的制造商，到如今 d c x 已开始研制第1 5 代f c e v 。d c x 计划在2 0 1 0 年开展其f c e v 商业化进程。 通用作为世界第一大汽车制造商，一直致力于f c e v 的开发。通用计划在 2 0 1 0 年前批量生产f c e v ，至a j 2 0 2 0 年售出十万台f c e v 。为了实现这一目标，通 用与许多公司建立了合作伙伴关系，如壳牌、美孚、宝马、丰田等。 2 0 0 5 年4 月在上海国际汽车展上g m 展出的s e q u e l 燃料电池车a u t o n o m y 概念车的理念实现并在2 0 0 5 年底实现用于驾驶的实用化燃料电池车1 。 同本本f f l 开始f c e v 研究始于1 9 8 9 年，1 9 9 9 年本f 只推出了两款f c e v 车型： f c x v 1 和f c x v 2 ，2 0 0 0 年和2 0 0 1 年又分别推出了f c x v 3 和f c x v 4 ，2 0 0 2 年 本田推出了f c x ，该车型是世界上第一辆获得政府商业化使用许可的f c e v ，已 获得美国环境保护署( e p a ) 与加州大气资源局( c a r b ) 的批准从而获得了该 车在美国东北部市场上销售的通行证提前在2 0 0 4 年下半年投入销售口8 1 。 我国p e m f c 研究起步较晚，但政府非常重视。科技部1 9 9 7 年将燃料电池列 为九五重大科技攻关项目，在国家十五“8 6 3 计划中，特别设立电动汽车重大 专项，将新一代电动汽车技术作为我国科技创新的主攻方向。其中，整车开发 包括燃料电池轿车、燃料电池客车、混合动力轿车、混合动力客车以及纯电动 轿车整车开发。燃料电池城市客车项目从2 0 0 2 年初启动，清华大学汽车安全与 节能国家重点试验室为研究工作的主要承担单位，第一辆原型车已经在2 0 0 2 年 底通过国家验收。燃料电池汽车的大规模研究开发进入具体落实的过程，并制 订了燃料电池汽车批量生产的计划：在2 0 0 8 年奥运会上，燃料电池汽车投入使 用，2 0 1 0 年实现万辆级产量，年燃料电池汽车的产能达至i l o 力辆。在此形势下， 燃料电池汽车的研发取得了较大进展。东风汽车公司在“九五 期间就已经研 制出我国第一台拥有自主知识产权的燃料电池汽车q 6 7 0 0 f c e v 燃料电池客车。 2 0 0 5 年下半年，清华大学与上海神力科技有限公司合作研制的国产燃料电池大 巴在北京投入示范运行，其装备了p e m f c 发动机。同济大学和上海神力科技有 限公司联合研制的燃料电池车i ! t2 0 0 4 年7 月下线，在6 个月内行驶里程已经突破 1 0 0 0 0 k m 。2 0 0 5 年1 月，经过两年的努力，由东风汽车公司和武汉理工大学联合 研发的东风燃料电池电动汽车“楚天一号”获得成功，正式通过专家组验收， 该车最高时速超过每小时1 0 0 公里。2 0 0 5 年1 1 月，戴姆勒一克莱斯勒已正式交付 2 武汉理t 大学硕十学位论文 3 辆燃料电池公共汽车于北京市，进行示范运行，2 0 0 6 年6 月2 0 同已j 下式试运行 睁1 0 1 。2 0 0 7 年上海汽车工业( 集团) 总公司推出第四代燃料电池轿车，第四代燃 料电池组最大输出功率达到6 0 千瓦，提升1 0 千瓦左右；该车还采用了3 5 0 巴的高 压储氢系统作为动力源，样车速度可达1 5 0 公里d , 时以上。2 0 0 8 年北京奥运会 上，燃料电池汽车投入使用。 燃料电池汽车适应社会发展的需要，并且在技术上是完全可行的，这就决 定了燃料电池汽车是未来汽车发展的方向。虽然燃料电池汽车在近期内不会大 规模进入市场，但是燃料电池汽车的商业化只是时间的问题，世界各大汽车厂 商预计的商业化时间表大都在2 0 1 0 年至2 0 2 0 年之间。 1 1 2 课题研究意义 自上世纪9 0 年代以来，p e m f c 己经取得了很大的进展，将p e m f c 作为车用 的动力越来越受世界关注。但同时，在将燃料电池汽车普及的过程中，也面临 着诸多的问题，比如：f c p s 成本太高，价格昂贵；f c p s 高温时寿命及稳定性不 理想；没有完善的燃料电池供应体系。研究者们进行了大量有关p e m f c 的基础 性研究工作，对f c p s 温度管理系统的仿真研究就是其中的热点之一。由于 p e m f c 的核心材料质子交换膜对温度十分敏感，因此必须对系统的温度进行很 好的控制，这样就需要进行大量的实验对各种负载下的系统的温度进行控制。 对f c p s 温度管理系统中的有效部件进行仿真和研究，进一步为电池堆的优化设 计及其系统控制提供重要的科学依据，并且可以大量简化实验过程。通过对f c p s 温度管理系统的仿真研究可以灵活地调整系统设计方案，合理优化系统，降低科 研经费，节省人力物力和财力，缩短开发周期。目前有关f c p s 温度管理系统的仿 真研究还比较少，所以与燃料电池的研发、生产、测试和教学培训密不可分的仿 真系统的市场潜力将是十分广阔的，无论是在企业还是高校和科研院所都有广 阔的推广应用前景，对f c p s 温度管理系统的仿真研究也必将推动燃料电池产业 化的进程。 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前，国外对燃料电池系统模型和控制方法的研究很多。b e r n a r di dm 和v e r b r u g g emw 1 将膜的水化考虑在内，提出了一个全面的m e a 模型： s p r i n g e rte 等n 羽结合试验数据，完善了这个模型。r o w ea 和l i x n 3 1 研究了设 计和操作条件对电池性能、热量动态反应以及水管理的影响。b a r b i rf 等钔研 究了空气供应和电堆的关系，并提出了几个有助于优化电堆性能的关键因素。 g e y e rhk 和a h l u w a l i ark ( 1 5 1 研制出了计算机仿真工具g c ，可用于燃料电 池系统的设计和分析。燃料电池系统级的动念模型相对较少，w o h rm 和 a m p h l e t t jc n 6 。盯1 研究了温度动态响应；p u k r u s h p a njt n 砌提出了燃料电池 系统级的动态模型，将阴极和阳极流体流动的动态特性加入到模型中。 p a t h a p a t ipr 引提出了一个完整的系统级的燃料电池动态模型，同时考虑了 动态特性的3 个方面：燃料电池的温度变化，流道的流体流量变化以及双层充电 的影响，并在s i m u l i n k 中实现了该模型。x u ex 等啪1 将燃料电池系统分成3 个控制 体，结合机理知识和经验模型，建立了一个系统级的动态模型。但这些模型都比 较简单，没有将一些动态因素考虑在内，需要进一步研究。 现在国外已经有一些燃料电池商业软件包口，主要有e m m e s k a y 、g c t o o l 、 a d v i s o r 2 0 0 2 、e a s y 5f u e lc e l lp a c k a g e 、f l u e n t 和s t a r - c df u e lc e l lp a c k a g e 等。 e m m e s k a y 是0 维的燃料电池堆软件包，该模型基于s i m u l i n k ，它能在固定或不定 的时间步运行，也可在实时模型上运行。该软件中的燃料电池堆是一个黑箱模型， 对系统中质子交换膜的水传递、水的冷凝和蒸发、反应生成的热传递进行了详 细建模。该模型具有压力动态特性。阴极和阳极的压力通过p i 控制器来控制，通 过调整冷却水流量，p i 控制器可调节阴极出口的温度。因为有压力动态特性，该 软件可以评价不同燃料电池系统控制策略。出于商业保密，关于燃料电池计算的 详细信息难以得知。 a d v i s o r 2 0 0 2 软件用m a t l a b 和s i m u l i n k 编写。其包含2 个模型，第一个简单的 模拟燃料电池系统，将系统的效率特性作为系统净输出功率的函数。其假设是系 统消耗一定量的燃料就可提供特定的净功率，而与系统的复杂性无关。第二个模 型方法类似，但燃料电池的性能基于极化曲线、堆的单电池个数和单电池消耗的 燃料。辅助系统( 例如压缩机、燃料泵和冷却风扇) 和电池堆独立。a d v i s o r 模 4 武汉理一r 大学硕十学位论文 型的缺点是没有包括热量和水管理，燃料电池和汽车其他部分的热交换不能显 示。 g c t o o l 是公开得到的软件包，用c 语言编写。它包括各种不同类型的燃料电 池和系统构件，例如重整器、冷凝器、泵和喷嘴。用户可自定义不同组件的系统 配置，进行稳态和动态模拟，它有自己的热力学特性库。e a s y 5 类似于g c t o o l ，也 有自己的组件库，包括电池堆、重整器、气体清洁装置、电力装置和控制装置， 也包括系统的热和流体模型。它的一个特点是可进行系统优化和组件尺寸设计， 但没有自己的热力学特性库。f e m l a b 的化学工程模块中包括燃料电池模型， 用m a t l a b 代码编写。该模型是一个稳态的二维模型，甚至包括单电池的三维模型， 它提供热传递和物质传递的详细模型。 v t 燃料电池系统模型f l ：l v i r g i n i a 科技和美国国家可再生能源实验室( n e r l ) 共同丌发，包括燃料电池模型和辅助系统模型，它是一个动态和半经验模型，描 述了系统中的热管理和水平衡。它的燃料电池模型是一极化曲线，模型的目标是 分析热启动和冷启动对车辆的燃料经济性以及功率的影响。模型的输入参数为： 单电池的数量以及活化面积，阴极和阳极流体的化学计量比系数，空气压缩机和 泵的特性，单电池最小电压和电流密度和最大冷却温度：常数为开环电压、空气 和氢气的热容系数、摩尔分子数和密度；初始条件为环境的温度、水箱的温度、 散热器的温度、阴极出口温度、压缩机出口温度、加湿器出口温度、冷却剂进 口环境压力以及冷却剂最小流率：系统输出为净功率和系统特征( 辅助部件的所 需功率、电池内不同点的物质流量、热损失、水平衡、电池电流和电压) 。 k t h 燃料电池系统模型是瑞典阜家科技研究所开发的半经验和稳态模型。 该模型考虑了堆的设计，可按给定的系统最大功率输出计算电池的数目。它有很 大的灵活性，可适用于所有类型的燃料电池堆。辅助系统包括氢气罐、泵和风扇 以及压缩机。系统考虑了氢气循环、堆中生成水和增湿器中水的冷凝，堆中生成 的热量由冷却循环系统排出。模型还考虑了摩擦损失，系统输出是净功率。系统 特征主要有反应气体的流量、惰性物质、冷却剂、堆中热传递、辅助装置的寄 生功率、系统的水平衡和系统的效率等。 从以上商业化软件中的模型和文献中的2 个模型的分析来看，这些模型对燃 料电池辅助系统的分析和建模比较深入，但对燃料电池堆的分析和建模相对比 较简单( 如将电堆看作黑箱、用极化曲线代替电堆的性能等) ，对燃料电池堆中的 一些动态特性影响因素分析不够深入，需要进一步完善。 5 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，清华大学初步建立了热管理系统流动与传热特性分析的数学物理 模型，部件及系统流动与传热特性试验结果可对某些基本假设和数学物理模型 进行修正，不断改进部件和系统计算的物理数学模型，提高系统计算精度。换 热器、驱动泵、阀门、加湿器、汽水分离器、冷却风扇等硬件设备结构集成和 系统匹配，这些设备的性能互相影响，设备选型和系统匹配是对动力系统进行 有效热管理的前提。系统硬件设备还受到燃料电池汽车动力系统工作条件的制 约，要求其结构紧凑、质量小、高效率和高可靠性。数值仿真程序验证，对已 有的程序和计算方法进行验证是数值仿真研究的一项分重要的工作。通过验证， 找出差距与问题，从而推动数值仿真的进一步发展同时，也只有通过验证，才 能使数值仿真更好地应用于燃料电池汽车动力系统热管理的汽车工程实际。 1 3 课题研究来源和目的 本文从理论上对f c p s 温度管理系统进行研究，设计f c p s 温度管理系统， 在由p e m f c 组成动力系统中，把p e m f c 作为系统的一个子系统，与其他子系统 的数学模型相联( 如：冷却水箱及管道系统、散热器系统等) ，根据p e m f c 在供 电系统中的工作特性，从而制定控制方案和策略。同时根据数学模型中重要参 数，可以为f c p s 温度管理系统中的关键部件的选型提供理论支持。 本选题来源于国家十一五8 6 3 项目：基于c c m 技术的燃料电池发动机研发， 课题编号：2 0 0 6 a a l l a l 3 3 。 1 4 本论文的主要工作 f c p s 温度的管理是现代燃点电池电动汽车研究与开发所面临的主要难点之 一。f c p s 中产生的能量将近5 0 以热量的形式排放到环境当中，又因为p e m f c 是一种低温燃料电池，使得它的散热温差很小，导致它有非常大的热负荷。本 文紧密围绕f c p s 温度管理这一课题，进行以下工作： ( 1 ) 分析f c p s 温度管理的重要性，论述系统温度对燃料电池性能的影响。 ( 2 ) 运用仿真软件m a t l a b 对f c p s 温度管理系统和温度控制策略进行仿真。 ( 3 ) 通过试验验证仿真结果的准确性。 ( 4 ) 对全文作了总结，同时对后续工作进行了进一步展望。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章f o p s 温度管理的重要性 2 1 燃料电池动力系统 2 1 1 燃料电池的概述 燃料电池( f u e l c e l l ) ，f c 是种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效 ( 5 0 - - 8 0 ) 、环境友好地转化为电能的发电装置。燃料电池的工作方式与常规 的化学电源不同，而更类似于汽油和柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在 电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送 入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排出一定的废热，以维持电j 也工作温 度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而所储能量则由储存在储罐内 的燃料与氧化剂的量决定嘲。燃料电池之所以受到世人的广泛瞩目，是因为它具 有其它能量发生装置不可比拟的优越性晗司： ( 1 ) 能量转换效率高 从理论上讲，燃料电池可将燃料能量的9 0 转化为可利用的电和热。而且， 燃料电池发电效率高，燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时， 燃料电池可在其半额定功率下运行。燃料电池发电厂可设在用户附近，这样也可 大大减少传输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产 生热水和蒸汽。热电联供时，能量总利用率可高达8 0 以上堙钔。 ( 2 ) 可靠性高 燃料电池的特点还在于具有高度的可靠性。主要体现在：燃料电池发电装 置是由单个电池堆叠成电池组构成的。单个电池串连的电池组并联后确定整个 发电装置的规模。这些电池组合是模块结构，构成发电系统运转和维护的基本单 元，维护十分方便。燃料电池的高可靠性还体现在：即使处于额定功率以上过载 运行，或低于额定功率运行，它都能承受而效率变化不大。与负载有变动时，它的 响应速度也快。与燃气涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很 少。因而系统更加安全可靠。燃料电池从未发生过像燃气涡轮机循环系统或内 燃机因为转动部件失灵而发生恶性事故。 7 武汉理工大学硕士学何论文 ( 3 ) 灵活性高 燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个基本单元是两个电极夹 一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组，再将电池组集合 起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电池 发电站。燃料电池的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池 电站的建设成本低，建造周期短。另外，由于燃料电池重量轻、体积小、比功率 高，移动起来比较容易，所以它特别适合在海岛上或边远地区建造发电站，或建 造分散型电站。 ( 4 ) 良好的环境效益 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。 燃料电池的生成物主要是水，基本上不排放有害气体，所以它是一种非常清洁的 能源。另外，燃料电池是静止发电，本身无机械传动装置，只是在控制系统等辅助 装置中有运动部件，因而它工作时振动很小，噪音很低。由于燃料电池的燃料气 在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热 机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减少了对大气的污染。 当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化 物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。 燃料电池有许多优点，人们对其将成为未来主要的能源持肯定态度。但就目 前来看，燃料电池还有很多不足之处，使其尚不能进入大规模的商业化应用。其 不足之处主要有： ( 1 ) 成本高，价格昂贵； ( 2 ) 高温时寿命及稳定性不理想； ( 3 ) 燃料电池技术不够普及； ( 4 ) 没有完善的燃料电池供应体系。 2 1 2 燃料电池的分类 燃料电池按照不同的分类标准，有不同的名称。按工作温度来划分，有低温、 中温、高温和超高温燃料电池。但目前最常用的方法还是以燃料电池中最重要 的组成部分即电解质来划分。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极 上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质划分，燃料电池大致可分 8 武汉理t 大学硕+ 学位论文 为五类：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、固体氧化物燃料电池 ( s o f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 。 表2 - 1 列出了上述五种燃料电池的主要特点瞄啪1 。 表2 1 燃料电池的类型与特征 p a f cm c f cs o f cp e m f ca f c 燃料 氧化物 电解质 荷电载体 催化剂 电极材料 寿命( h ) 工作温度 ( ) 电池效率 ( ) 比功率 5 0 1 2 0 1 8 0 c o 、h ， 0 2 熔融碳酸锂 c 0 3 z n i n i m 1 3 0 0 0 6 0 0 7 0 0 6 0 3 0 4 0 c o 、h 2 0 2 固体二氧化锆 0 2 n i n i y s z 7 0 0 0 1 0 0 0 h 2 0 2 固体高分子膜 h + p t c 1 0 0 0 0 0 室温1 0 0 h 2 0 2 碱溶液 o h 。 p t 、n i c 1 0 0 0 0 6 0 l o o 6 05 05 0 1 5 2 03 0 0 3 0 0 03 5 1 0 5 在以上几种主要的燃料电池中，质子交换膜燃料电池具有无腐蚀、寿命长、 比功率大、操作温度低、起动快、燃料来源广和环境友好等特点，被认为是最有 发展前途的新能源。近年来，质子交换膜燃料电池在电动汽车、小型电站和便携 式电源方面的应用已取得了较大的进展心蚴1 。加拿大b a l l a r d 公司制造的燃料电 池公共汽车和小型电站己经投入实际使用，而德国的奔驰汽车公司、日本的丰川 电汽车、瑞典的电汽车和美国的通用汽车公司也相继推出了燃料电池样车，其 它一些著名的汽车公司都积极致力于燃料电池汽车的开发研制工作。p e m f c 被 认为是第四代电源技术和汽车内燃机的最有希望替代者。 2 1 3p e m f c 的结构和工作原理 其中p e m f c 除了具有f c 所共有的能量转换效率高、环境友好、噪声低、可 靠性好和燃料多样性等特点外，还由于其工作温度低，启动快，最佳工作温度为 6 5 左右，甚至在室温也能正常工作，适宜于较频繁启动的场合，可用空气做氧 9 酸 ， 地q雠时n c 姗猢 夜 武汉理t 大学硕十学位论文 化剂，因此被认为是取代目前汽车动力最具可选性、最有竞争力的动力源啪刮。 同时，以多片p e m f c 组成的电堆为动力的燃料电池电动汽车( f c e v ) 被称为零 排放汽车( z e v ) ，在同等测试条件下，其燃料消耗率也比相应的内燃机低 5 0 舯。p e m f c 的基本单元由阳极、阴极、电解质和外部电路4 部分组成。燃 料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子在外电路的连接下形成电流并向负载输 出电能。p e m f c 的构成如图2 1 所示，它包括集流板、流场板、气体扩散层、催 化层和质子交换膜。 t 0 2h 2 e h e 一卜一 l _ e 手摆 h + 牲r h + e 百 e 气一 正 氧阴催 极气极化 集流层 流场 板板 质催阳氢负 子化极气极 交层流集 换场流 膜板板 图2 - 1p e m f c 的结构 集流板用来收集电子，是电极与外电路之间的电流通道，一般由带有气体 通道的石墨或表面改性的金属组成，在电堆中，阳极集流板与阴极集流板背对 背制作在一起，即为双极板。 流场板是燃料和氧化剂的通道，是扩散层与配气总管的衔接，对气体分配 起到在均匀化的作用，流场板根据结构的不同可以分为直流场、蛇形流场、交 流形流场、点状流场。 气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，它一方面为气体从流道扩散到 催化层提供电子通道、气体通道、排水通道，另一方面对燃料电池的催化层起 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 支撑作用，扩散层对于电子传递和气体扩散通道、以及电池性能都有一定的影 响。在通常情况下，质子交换膜和两个电极结合，组成p e m f c 的膜电极组件 m e a ，其电极部分包括气体扩散层和催化层。气体扩散层孔隙率和孔径是两个 重要的参数。 催化层的作用是使燃料和氧化剂发生电化学反应的物质，催化剂的好坏直 接影响到燃料电池性能的好坏目前催化剂多采用p t 或p t c ，这类催化剂非常昂 贵，在燃料电池成本中占较大的比例。为了减少催化剂的用量，一般将催化剂 做成粗糙多孔的结构，使其有足够的比表面积以促进氢气和氧气的反应。 质子交换膜是质子交换膜燃料电池中一个非常重要的组件，它兼有隔膜和 电解质的作用。其隔膜的作用是阻止阴极和阳极之间的气体相通，防止氢气和 氧气混合发生爆炸；其电解质的作用是仅使质子通过，而使电子传递受阻，这 样电子就被迫通过外电路流向向外输出电能。 p e m f c 的工作原理如图2 - 1 所示： ( 1 ) 导入的氢气通过阳极集流板经由阳极气体扩散层到阳极催化剂层，在 阳极催化剂的作用下，氢分子解离为带正电的氢离子并释放出带负电的电子， 完成阳极反应： 阳极反应：h 2o 2 h + + 2 e 。 ( 2 ) 氢离子穿过到达阴极催化层，而电子则由集流板收集，通过外电路到 达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当的连接可向负载输出电能。 ( 3 ) 在电池的另一端，氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到阴极催 化剂层。在阴极催化剂的作用，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生 反应生成水，完成阴极反应： 阴极反应：1 20 2 + 2 h + + 2 e - h 2 0 ( 4 ) 电极反应生成的水大部分由尾气排出，一部分在压力差的作用下通过 膜向阳极扩散。总的电池反应为： 1 - 1 2 + 1 20 2 - ，h 2 0 可见，质子交换膜燃料电池内进行的是燃料和氧化剂在隔膜的两侧分别完 成半个反应的氧化还原反应。从本质上说它是一种按照电化学原理，将储存在燃 料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的能量转化装置。 武汉理- 1 ：大学硕十学位论文 2 1 4f c p s 总成 独立的燃料电池堆是不能应用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧 化剂供给系统、加湿系统、散热系统、电机和控制系统组成f c p s 才能对外输出 功率口2 1 。图2 - 2 是一种采用焓轮加湿器进行加湿的f c p s 。 厂一散热系统，一一 一 1 空气厂一一一 一一一 一1 控锚0 器一一一一 ， 乐飞一 缩i 了_ ，机 尾气一- 焓+ 午轮 2 2 热源 ：一一一一一 卜是一l - 一减墨阀一j ：罐 卜堆一一竺堂l 。i m 耀 图2 - 2f c p s 总成 燃料电池( f c ) 是一种对氢能进行利用的能量转换装置，它可以连续地将 燃料( 氢气) 和氧化剂( 氧气或空气) 的化学能通过电化学反应直接转换成电 能，同时释放热量。p e m f c 系统内部的能量变化体现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。其中的化学反 应为： 1 风+ 二d ，丝马日，o ( 2 - 1 ) 2 由式( 2 - 1 ) 可知，反应过程中生成水，同时释放出热能( h e a t ) 和电能( e l e ) 。 在2 5 分压为1 a t m ，生成水为液态时，反应物的焓变h 为一2 8 5 8 k j m o l ， 反应热t s 为- 4 8 7 k j m o l 。也就是每摩尔理想状态的氢气参与反应，产生 4 8 7 k j 的热能和2 3 7 1 k j 的电能。由于实际系统内阻存在，反应过程中产生的 1 2 武汉理ji ：人学硕十学位论文 电能有一部分转化为热能( 焦耳热) ，所以系统生成的热量就是化学反应的焓变 减去有效电能。对于电池单体，每摩尔的氢气参与反应时： 一脯= - t 幸a s + 2 f 木，= 2 f 幸吃。 ( 2 2 ) ，2 1 2 3 v 吃。2 1 4 8 1 v a h e a t = 一州一e 饴= l w 宰a t 奉( z q 。一圪) 式( 2 2 ) 中，f 为法拉第常数；，为理想情况下电池单体的输出电压；， 为反应焓变完全转化为电能时，电池单体的等效输出电压；a h e a t 为电池单体 a t 时间内的发热量： l 。，为电池单体的实际输出电流；圪，。为电池单体的实际输出电压；a t 为时 间长度。 实际控制系统中，可根据式( 2 - 2 ) ，通过采样输出的电流和电压，得到系统 的实时发热量。模型中，通过分析电堆伏安特性，建立了一组输出功率和电压、 电流的函数。则系统产生的热量为： a h e a t = f l o u t ( p o w e r ) a t 叮吃。n u m o f c e l l s f v o u t ( p o w e r ) 】( 2 3 ) 上式中n u m o f c e l l s 为电池单体数目；f l o u t ( p o w e r ) 为输出功率p o w e r 时的 输出电流；f v o u t ( p o w e r ) 为输出功率p o w e r 时的输出电压。 实际系统中，反应物的温度是变化的，在使用式( 2 2 ) 或( 2 3 ) 进行计算时， 必须对反应物和生成物的温度进行等效处理，计算出氢气和氧气从进口温度转 化为2 5 。c 情况下释放的热量。巩摩尔氢气反应时，氢气和氧气转化为2 5 。c 条 件下的热力学能变化分别为： = n h l 宰印j l l 2 宰( 2 5 一) ( 2 4 ) 虬，= ，l ：宰 0 5 ( 2 5 一瓦：加) 式( 2 4 ) 中，、眈，分别为氢气和氧气的热力学能的变化，q 噍、q 觋 分别为氢气和氧气的摩尔定压热容，毛细、乃，加分别为氢气和氧气的进口温度。 根据反应物进口和出口温度、湿度的变化可以计算出生成液态水和气态水 的量，从而得到生成水对系统的影响。生成