【《燃料电池数学模型及系统的热分析》7400字】

燃料电池数学模型及系统的热分析目录TOC\o"1-3"\h\u22587燃料电池数学模型及系统的热分析 1327251.1建立流体力学模型 1136041.1.1能量守恒关系 1323371.1.2质量守恒关系 2243651.1.3动量守恒关系 3246751.1.4组分守恒关系 498711.2燃料电池热管理系统分析 459081.3燃料电池热源分析 5233231.3.1燃料电池系统产热分析 6292291.3.2燃料电池系统散热 6224501.3.3冷却介质散热 8272381.4燃料电池热管理系统主要组成部件 10241181.4.1散热器 10240521.4.2水泵 12287621.4.3节温器 12232161.4.4散热系统材质及去离子装置要求 13对于质子交换膜燃料电池，系统比较复杂，踏实动态变化的，且具有三位多相性。整个系统存在强耦合，有流体流动与水相变的耦合，有气体扩散与电化学反应的耦合，也有水在膜中与其它相关联现象的耦合等。在进行燃料电池系统搭建时，要进行几个温度的分析研究，对气体反应域的研究，水及热管理控制方法，高效率输出等，都需要建立在理论基础上，构建系统的模型是比不可少的。本章主要进行系统模型的搭建，简述系统能量守恒关系，热源分析及散热量模型[29][30][31][32]。1.1建立流体力学模型根据流体力学模型，分析系统中所需的数学模型，建立关系和关联性，所依据的控制方法方程有（能量、动量方程、质量）守恒方程，以及组分守恒方程。1.1.1能量守恒关系燃料电池的温度涉及到多个组成部件上，存在对流和相互间的导热，热交换时要综合考虑。在气体和液体通道上，既有导热，也有对流；在阴阳极板上，只有相互间的导热；在阴阳极催化层上，热交换相对复杂；在阴阳极扩散层，既有导热扩散，也有对流，以及本体结构材质上热传导。如果忽略气体的粘性换热，阴阳极催化层上的能量方程，对流体和固相的相加值。通过这种方法，就可搭建阴阳极扩散层的能量方程，以及膜的方程。因此，在子酸区域内，通用的热交换方程如2-1所示，也可以用这个方程计算一定区域内的分布的温度。∇∙λ系统中存在着强耦合，要对电阻产热热，电化学反应产热热，及相变和极化产热进行分析，具体公式如下：Sh式中：λeff∁pShI电流密度；RohmhphaseRan,cat1.1.2质量守恒关系假设流体为连续介质和适当流速条件下，方程为：∂ερ上述方程中，描述了对流与非稳态的关系，以及与能源项的关系。其中ρ、γ、V、Sa分别是冷却介质密度，反应域的孔隙率，及反应速度矢量，该系统质量源项，S根据电堆阴、阳极催化层，阴阳极集流板，以及阴阳极扩散层实际流道结构，Sk可视为零，其中催化层的表达式SkSk式中：MH2OHMH2H2MO2O2ian阳极Iρ，,其中icar阳极Iρ,其中F法拉地常数；通过Faraday定理可得，电流I与参与反应气体的存在关联，其公式如下：SHSHSO式中水源项包含了相变引起的水质量变化。1.1.3动量守恒关系对流体来说，在流动时既有正应力，也有切应力，根据斯托克斯粘性定律得出t方程为∇∙rρVVρ所研究流体的压力；μsffSU在实际应用中，SV在阴阳极扩散层多孔电极，以及阴阳极催化层多孔电极上，由于通道慢梯度的存在，忽略粘性、惯性关系，造成流体动量组份源项的变化，变化后的方程为SV=−其中，k为渗透率。1.1.4组分守恒关系由于速度场的关系，化学组份分别是两项，组份的流量也由两部分组成，分别是对流时的流量，及阴阳极扩散层的流量，系统中气体是有H2O、H2、∇∙rρV由菲克定律可知，等式左边第一项为扩散量。Z为组份i的重量系数，SkSkZi,effn电子数得失量；s计量系数；H2O，H2SHSHSO1.2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上的电子风扇分别进行策略管控，ATS散热器改变冷却介质入口温度，水泵通过改变冷却介质速度，最终改变电堆冷却介质进出口温差，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电堆，工作时最佳温度为65℃−2+2，一般情况下，在60-80（2）燃料电池进出口冷却液的温差。考虑电堆工作时，电化学反应生成的水蒸气，在较低环境温度下会凝结结冰，若结冰面积较大时，会导致反应膜的损伤，需对冷却介质温升变化范围序偶小，一般在5~10℃，若能研究到恒温状态，其效果更好。（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。1.3燃料电池热源分析燃料电池通过电化学反应产生能量，电能是由于阴阳极的电化学反应转换而成。，反应过程产生热量，质子交换膜燃料电池可视作一个能量系统，主要热力学能、化学能及电能组成。电堆工作时，堆内进行电化学反应，产生电能和水，以及部分生成物，并散发热量。系统的能量的增加，主要变现在对内热力学能的增大，使膜、催化层、扩散层、极流板上温度升高。。电堆工作时，要进行系统平衡热量，需根据Q=CM∆T，建立系统的热平衡方程，具体公式如下：Cst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，其中每个单元的产热和换热，都是单位时间内求值，那么，电堆自身产热话换热量，就等于一定时间内，每个单元产热和换热的总和，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，在分析电堆热量时，主要进行两个部分，一个是系统的产热，一个是系统的换热或散热。1.3.1燃料电池系统产热分析根据大量专家学者的研究，在分析电堆热量时，大都通过给一个假定值的方式进行展开。为方便研究，在电堆工作时，对堆内能量的等式进行假设，即化学能等于电能和热力学能的总和，可以更有效的进行热量分析[33]，计算公式如下：Qgen式中，Qtit一定时间内，电化学反应化学能的总量，kw燃料电池内部能量发生变化，是由于生成物焓的变化，以及过程中反应物焓的变化，是氢氧化学反应，如下：H2+1根据氢氧化学反应公式得出，反应生产水，产生热量，释放电能。在标准大气压，及环境温度在25摄氏度时，反应生产水是液态形式，则反应时焓的变化为∆H，反应时的应热为∆Q，其中∆Q=−48.7kJmol。理想状态下，系统能量变化是电能和热能，分别是，进行氢氧反应时，产生电能Wi和热能Qt单位时间内，消耗的气体与产生的水之间的关系如下所示[34]：Nca.Nan.Nca.式中，Nca.o2Nan.H2Nca.H2单位时间内整个系统的化学能，可用以下公式表达：Qtot1.3.2燃料电池系统散热在第一章中对燃料电池的散热作了介绍，有九成以上的产热通过换热，是通过冷却介质的循环将热量带出，并通过换热器将热量散发到外界环境，只有很少部分的热量是电堆自身的热辐射，以及随反应余气带出热量。综上所述，在理想条件下，化学反应产热等于冷却介质的循环散热，保证其燃料电池热环境达到平衡状态。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。根据燃料电池热管知识总结，不难发现电化学反应既会产生热量，也会带出一些热量，但在反应气体通道中，进口和出口热量差额比较小，以及非常小的气体比热，故在系统散热研究时，这一部分可进行忽略。（1）电堆自身的热辐射：∆Q式中，δ本体黑度；σbAradTcellT0（2）反应生成水的散热：∆Q式中，mHmOσH2O汽化潜热，（3）电堆循环冷却介质带出的热量：∆Q式中，c比热；p密度；VHToutTin电堆内部保持热平衡，可表示为：∆Q=∆Q通过对系统散热过程的分析，为利于计算，需做一些条件约束，即进行假设：（1）电化学反应中，多余的气体（氢气），能够循环再利用，不排出堆外，系统的散热通过气体换热可进行忽略，也可以排除这部分队系统散热的影响。（2）对燃料电池而言，电堆本体的辐射热较小，占整个散热系统中热量交换的比值较小，所以，在进行系统散热计算式，热辐射热也可忽略不计[35]。（3）如果存在一种关系，即电堆散热系统里，电堆内部的温度，及冷却介质进口温度，两者保持相等，电堆温度Tst等于电堆冷却水出口温度TTst根据2-27公式，，燃料电池系统的换热量只有两部分，分别是气体的换热量，以及循环冷却介质的换热量，则可表示为：Qdis式中，Qgst单位时间内，反应气体的换热量，kwQkl单位时间内，冷却介质的换热量，kw1.3.3冷却介质散热在系统产生的热量中，八成以上是在阴极催化层一侧，甚至可以达到九成及以上，剩下的热量通过尾气换热到大气环境中去[14]，所以燃料电池系统产生的热量，大约百分之95是通过循环冷却介质换热。通过循环水泵将驱动冷却介质，使冷却介质在电堆流道内循环，带走堆内的热量，，再流经ATS散热器流道，由电子风扇改变区域内风速，减低散热器通道内的温度，即改变电堆进口出冷却介质的温度，这部分变化的热量，是散热器与空气的热交换。对水泵来说，电堆冷却系统系统选用电子水泵，通过调节电子水泵的电机频率，来控制冷却介质的流速，从而计算出实际的流量。由水泵输出关系可知[36]：Wcl式中，γWcl冷介质流量，L电子水泵若搭载的是交流电机，其电机转速的计算公式如下：n=60式中，ft供电频率，stp电子水泵搭载电机的极对数；一般情况下，交流电机的转差率相对较小，从公式2-29和2-30得出，冷却介质流量要增大，就绪改变水泵的转速，两者成正比关系；在p为给定值时，要想提高水泵的转速，需要增加电机的频率，两者这时也成正比关系。综上所述，如果调节水泵的转速，改变电机的频率即可，或匹配更大频率的电机可以解决，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：Tst式中，TradWrad经过散热器的冷却介质的流量，L1.4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]。1.4.1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式中，a换热管中冷却介质流速，msSP换热管管横截面面积；m（2）电堆冷却介质是气体是，需改变散热器芯部的面积，提高换热量根据Q=CM∆T可得，空气的流量可用以下方式表达：Wair式中，Wair空气的流量，mQa空气带出的换热，kWρa空气密度，kg∆T通过ATS散热器热交换后，其空气的温度取中间值或平均值。气体进行热交换的面积表示为：Sair式中，Vair空气的流速，m（3）ATS散热器进行热交换时，传热系数公式如下：K=1式中，Ss总表面积，mαUSU散热总的表面积，mαkηk空气侧对流换热系数αaαai式中，jaiGai空气的质量流速，Cai空气的定压比热，Pr总的空气侧传热面积传热效率：ηa式中，Sfηf翘片的表面积，m冷却介质对流情况下，换热公式如下：aW式中，Nuc对流导热常数；d散热单元的内径，m。散热器的散热能力可表达为：Qq当Qq1.4.2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冷却介质流量表达式为：Wcl式中，ρH2O1.4.3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