【燃料电池数学模型及系统的热探析综述7900字（论文）】

燃料电池数学模型及系统的热分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u21519燃料电池数学模型及系统的热分析综述 1138561流体力学模型 1309241.1能量守恒方程 1215311.2质量守恒方程 2323551.3动量守恒方程 362381.4组分守恒方程 4224392燃料电池热管理系统分析 4110223燃料电池热源分析 546713.1燃料电池系统产热 5145743.2燃料电池系统散热 6283693.3冷却介质散热 8213184燃料电池热管理系统主要组成部件 9183624.1散热器 10103284.2水泵 1187694.3节温器 1282354.4散热系统材质及去离子装置要求 12质子交换膜燃料电池是一个复杂的三维多相、动态的复杂系统。燃料电池中流体的流动、多介质的气体扩散、水的相变、水在质子交换膜中的传递以及催化层中的电化学反应同时存在并且相互耦合。所以，要做好燃料电池的气场设计和水热管理、提高燃料电池的性能，建立一个全面描述质子交换膜燃料电池工作过程的数学模型是非常重要的。[29][30][31][32]下面介绍燃料电池中流场分析模型、电化学模型、热源分析及散热量模型。1流体力学模型基本流体力学模型分析流场所依据的控制方法方程有能量守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程和组分守恒方程。1.1能量守恒方程燃料电池的温度涉及到流道（冷却和气体）、双极板、多孔电极，温度分布计算是一个对流一一导热综合的传热问题。在流道中，既有导热的热传递，又有对流；双极板中，热量的传递只考虑导热；多孔电极上，热量的传递比较复杂，在气体扩散层，热量是通过流体中的部分对流和扩散，以及固体基质中的然传导。在不考虑粘性耗散产生的热量，对于多孔介质而言，对流体和固相中的能量方程进行平均，将他们相加得到多孔介质的能量方程。以此类推，可以建立催化层和模中的能量方程。因此，应用统一的热量传递方程描述整个计算域内的温度分布，能量守恒方程如下：∇∙λeff∇T=∇∙考虑欧姆热、化学反应热、相变时的吸放热，及活化极和浓差极化产生的热。Sℎ=I2式中：λeff∁pSℎI电流密度；RoℎmℎpℎaseRan,cat1.2质量守恒方程假设流体为连续介质和适当流速条件下，方程为：∂ερ∂t+∇∙等式左边为非稳态项和对流项，右边为质量源项。其中ρ、ε、U、Sm依次为密度、孔隙率、速度矢量、质量源项，S对于阳极和阳极的流道与扩散层，Sm均为零，阴极和阳极催化层SSm=SHSm=SH式中：MH2OHMH2H2MO2O2ianicatF法拉第常熟，96487C根据法拉第定理可得，电流与反应气体的关系，其质量源公式：SH2=MSH2O=SO2=M式中水源项包含了相变引起的水质量变化。1.3动量守恒方程对于流体，要考虑正应力和切应力，根据斯托克斯粘性定律得出t方程为∇∙ϵρUU=−ε∇pP流体压力；μeffSU在实际流道中，SU为零，方程转化为Navier-Stokes在扩散层和催化层的多孔电极中，因流道慢梯度较小，在不考虑粘性力和惯性力对流体动量的影响，方程为SU=−μeffε其中，k为多孔介质的气相渗透率。1.4组分守恒方程在速度场U存在的情况下，其化学组分的流量由对流流量和扩散层流量两部分组成，参与化学反应的化学组分H2O、H2∇∙ερUYi=∇∙由Fick定律得，等式左边第一项为扩散量。Y为组分i的质量系数，SkSk=snFDi,effn组分k反应的得失电子数；s反应的化学计量系数；H2O，H2SH2=−1SH2O=−SO2=12燃料电池热管理系统分析质子交换膜燃料电池的热管理系统主要有循环水杯、节温器、低电导率冷却液、ATS散热器AutomaticTemperature-controlSystem（散热器与电子风扇集成）、副水箱、冷却水管和温度监测及电子风扇控制器等组成。通过整个系统的协调控制，保证燃料电池工作的温度在稳态和动态变化时温度能处在温度状态。燃料电池热管理系统的控制目标是将水泵和ATS散热器电子风扇进行有效控制，散热器控制电堆冷却液进口的温度，水泵控制电堆冷却液进出口的温差，并将其控制到理想状态。燃料电池热管理系统主要考虑的情况如下：（1）燃料电池最佳工作时的温度。本文所研究的客车选用的燃料电池最佳工作温度为65℃−2+2，最佳工作温度温度范围一般为60-80（2）燃料电池进出口冷却液的温差。要使燃料电池内部温度均匀分部，以避免电堆内部温差过大致使冷却流道内发生冷凝现象，需将燃料电池电堆进出口冷却液的温差控制在5℃。（3）燃料电池热管理系统中各个部件的耐温性，以及承受的极限温度。（4）环境适应性。低温适用性：燃料电池工作时的环境温度范围涵盖5℃，要实现−10℃时低温冷启动，及−40~65℃存储温度范围，以备储存及运输。温湿耐受性：燃料电池能在高湿环境下≤95RH工作，且要通过GB/T2423.4-2008交变湿试验，以及GB/T2423.17-2008烟雾试验。3燃料电池热源分析燃料电池将内部电化学反应转换成电能，并伴随产生大量的热量，如图2-1。图2-1燃料电池能量系统质子交换膜燃料电池可视作一个能量系统，整个系统存在冷却水、氢气、空气的热力学能，以及化学反应具有的化学能。电堆中通过反应产生电能、冷却水和产生的热能，以及余气的的热力学能。系统的增量就是电堆热力学能的增加，使电堆内部的温度产生变化。根据热平衡方程Q=CM∆T，热平衡关系如下：CstMstd式中，Cst电堆比热容，kJMst电堆的质量，kgQgen电堆的产热功率，kwQdis电堆的散热功率，其中各热量均是单位时间内产热和散热，可视为燃料电池的产热和散热，且燃料电池系统的热量分析可视为系统的产热和散热两个部分。3.1燃料电池系统产热假设燃料电池中的化学能全部转化且只转换为电能和热力学能，这样就可以更加精确计算燃料电池发出的热量[33]：Qgen=Qtot式中，Qtot单位时间内参与反应的反应物所存储的化学能，kw燃料电池电堆内部能力变化表现为因化学反应过程中反应物与生成物之间的焓变，其化学反应为：H2+12O2根据上式可知，电堆化学反应过程中产生水，同时释放出大量的电能和热能。再温度25℃、分压为1atm、生成液态水时，其化学反应焓变为∆H=−285.8kJmol，应热为−48.7kJmol。理想状态下，氢气参与反应时，将会产生单位时间内参加反应的气体消耗量与反应产生水的摩尔质量是[34]：Nca.o2recNan.H2recNca.H2O式中，Nca.o2Nan.H2Nca.H2单位时间内燃料电池中氢燃料全部化学能为：Qtot=∆H×Nan.3.2燃料电池系统散热要使燃料电池保持热平衡，电堆产生的热量和散发的热量应相等。水冷型质子交换膜燃料电池系统的热量散发主要有传传递和热辐射，即通过循环冷却液带走的热量，反应气体带走的热量，燃料电池与周边环境通过热辐射带出的热量。本文所选用的冷却介质是高纯度地电导率的去离子水，燃料电池系统的散热主要是通过冷却液从电堆冷却流道带走热量。燃料电池的热管理系统是一个非线性较复杂的系统，存在滞后、大惯性等特点。燃料电池化学反应气体的进出都会产生和散发一部分热量，而进出气口的温差较小，加之反应气体的比热容也较小，因此这部分热量可以忽略不计。（1）电堆自身的热辐射：∆Qrad=δ∙σ式中，δ电堆黑度；σbAradTcellT0（2）电堆内水的汽化散热：∆Qq=m式中，mHmOγ水的汽化潜热，2256kJkg（3）电堆循环冷却介质带出的热量：∆Qconv=c∙p∙V式中，c水的比热容；p水的密度；VHToutTin电堆内部保持热平衡，可表示为：∆Q=∆Qrad+∆Q为方便研究质子交换膜燃料电池的散热过程，需进行假设，如下：（1）燃料电池系统中，电堆内反应的氢气一直利用循环泵将未反应的氢气进行循环，且很少向外排出，这部分再电堆散热过程中不进行考虑，故不考虑电堆中反应水蒸气与反应氢气对系统的影响。（2）对燃料电池而言，电堆本体的辐射热在热管理系统散热占比较小，而且辐射热散发的热量很小，所以热辐射所散发的热量可忽略不计[35]。（3）假设水冷型质子交换膜燃料电池系统中电堆温度Tst等于电堆冷却水出口温度TTst=Tst根据上述假设，燃料电池系统的热传递只考虑气体的散热量和通过冷却介质带走的热量，则可表示为：Qdis=Qgas式中，Qgas单位之间内反应气体带出的热量，kwQcl单位时间内通过冷却介质带出的热量，kw3.3冷却介质散热电堆散发热量，热量中的80%～90%产生于阴极侧催化剂层，只有约5%的废热能被空气尾气带出电堆[14]，即PEMFC工作时产生的热量，有95%依赖于冷却介质带走。冷却介质的传递热是通过循环水泵将其进行循环，将热量从电堆内部通过冷却介质释放出去，再进过ATS散热器，由电子风扇与外部环境空气进行热量交换。对循环水泵而言，燃料电池热管理系统通常采用交流电机驱动的水泵，在冷却介质循环中通过调节频率进行流量的控制，得到散热量对应的冷却介质流量。由水泵运转的比例定律可知[36]：Wcl=kn（式中，k比例系数；Wcl冷却水流量，L根据交流电机转换公式可得，转速与频率的关系：n=60f1−sp式中，f循环水泵电机供电频率，Hzs转差率；p交流电机的极对数；一般情况下，交流电机的转差率相对较小，从以上两式可以得出，冷却介质流量与循环水泵电机转速成正比，当水泵电机极对数是定值时，水泵电机转速与频率成正比，所以，冷却介质流量与循环水泵电机频率也是正比关系。这样可以通过改变循环水泵电机的频率就可实现对循环水泵电机转速的调节，从而实现对冷却介质流量的控制。因此，燃料电池热管理系统中可以通过改变循环水泵的频率来进行对冷却介质流量的调节。根据热平衡方程，冷却介质从电堆带出的热量为：Qcl=Wcl由上面公式可得，冷却介质流量和电堆流道进出口温差影响着冷却介质的散热能力，又因循环水泵影响着冷却介质的流量，ATS散热器影响着电堆进入口的温度，所以，要实现ATS散热器将电堆的产热通过冷却介质与外界环境空气进行交换，其散热器的散热量可用以下公式表示：Qrad=Cair式中，Wfan散热器电子风扇的空气流量，kgTrad,airATS散热器冷却介质出口温度，即电堆冷却介质进口温度，根据以上两个公式可得：Tstin=Trad,air式中，TradWrad经过散热器的冷却介质的流量，L4燃料电池热管理系统主要组成部件水冷型热管理系统主要由循环水杯、节温器、ATS散热器、副水箱、冷却介质管路和热管理控制器及电子风扇控制器等组成。冷却介质一般采用低电导率的去离子水，冷却介质循环水泵提供压力，使冷却介质从电堆冷却流场流道中带走热量，再从ATS散热器将热量传递给外界环境中，形成一个完整的循环，整个系统在电堆工作时处于最佳平衡状态。由于车载燃料电池系统功率较大，部件较多，结构复杂，对冷却系统的要求较高，多采用冷却介质散热的方式进行电堆内部温度的均匀分布的热管理模式[37]。4.1散热器通过液体和气体进行热交换最常用的换热设备多是翘片式散热器，本课题选用的是ATS散热器，主要有电子风扇、护风圈、散热器（芯、主片、进出水室）组成。（1）散热器散热管的数量数量n取决于冷却介质流量和散热管横切面积，可表示为：n=1000∙Wcl60∙vS式中，v散热器散热管内冷却介质的流速，mss散热器管道的横切面积；m2（2）散热器芯部的面积根据热平衡方程可得，空气的流量可表示为：Wair=Qair式中，Wair空气的流量，mQair空气带走的热量，kWρair空气的密度，kg∆T经过ATS散热器换热后的环境中空气温度可取散热器空气进出风的平均值。气体流通面积可表示为：Sair=Wair式中，Vair空气的流速，m（3）散热器的传热系数传热系数K表示为：K=1Saα式中，Sa散热器空气侧的总散热表面积，mαWSW散热器冷却介质侧总的散热表面积，mαaηa空气侧对流换热系数αaαa=ja式中，jaGa空气的质量流速，Ca空气的定压比热，Pr总的空气侧传热面积传热效率：ηa=1−1−式中，Sfηf翘片的表面积，m冷却介质侧的对流换热系数：aW=NuW式中，NuλWd散热单元的内径，m。散热器的散热能力可表达为：Qq=KSair当Qq4.2水泵当电堆工作状态下，达到热平衡时的散热量可表达为：Qgen=Qcl由于燃料电池工作时，约有90%以上的散热是通过冷却介质循环带出，为方便研究，只考虑冷却介质的散热，其表达式为：Qgen=Qcl冷却介质流量表达式为：Wcl=Qcl式中，ρH2O4.3节温器节温器可以对冷却介质流动路径进行控制，并可以进行自动调温。节温器一共有三个阀口，可以是单进两出或者是两进单出的流动路径工作形式，节温器内部的感应元件可以随着冷却介质温度的变化发生膨胀，从而对阀口进行控制及对冷却介质路径的控制。节温器对自身温度的调节特性，在一定温度控制范围内，会根据进出的冷却介质的温度高低自动调节进入散热器的冷却介质的流量，从而使燃料电池保持在合理的温度范围进行工作，保证了燃料电池良好的输出性能。传统的蜡式节温器的调节特性是固定的，为满足燃料电池电堆能满足复杂工况下稳定输出功率，应选用电子节温器。使用电子节温器的冷却系统水温不在是唯一的控制因素，其电控系统通过标定好的控制MPA(