水下大功率氢氧燃料电池辅助系统仿真分析.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 42 水下大功率氢氧燃料电池辅助系统仿真分析水下大功率氢氧燃料电池辅助系统仿真分析 李彬彬1,3，徐纪伟1,2，王孙清1,2，谢仁和1,3，于 朝1,2（1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082；2.深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082；3.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214082）摘 要：以某型使用燃料电池为动力系统的深海运载平台为对象，建立了其整个燃料电池辅助系统的数学模型，并以 Matlab/Simulink 软件为平台对该系统进行了建模仿真，在此基础上，根据平台在不同工况下的输出功率变化导致辅助系统冷却水温度的变化，对整个辅助系统进行动态仿真和分析。仿真结果表明，在深海作业平台的不同工况时，由电堆输出功率的变化引起辅助系统冷却水温度变化的过程中，辅助系统能够根据工况的不同为燃料电池电堆提供适合其温度范围的冷却水，并且在整个动态仿真过程具有较好的稳定性和动态响应。关键词：燃料电池 深海运载平台 辅助系统 仿真分析 MATLAB/Simulink 中图分类号：TM612 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0042-06 Simulation analysis of auxiliary system based on underwater high power hydrogen Oxygen fuel cell Li Binbin1,3,Xu Jiwei1,2,Wang Sunqing1,2,Xie Renhe1,3,Yu Zhao1,2(1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 State Key Laboratory of Deepsea Manned Vehicles,Wuxi 214082,China;3.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science,Wuxi 214082,China）Abstract:This paper takes a deep-sea carrier platform which was used fuel cell for the power system as object,and using MATLAB/Simulink software as a platform for modeling and simulation.On this basis,according to the change of power in different working condition of deep-sea carrier platform resulting in the change of cooling water,the analyzing and dynamic simulation of whole system were completed.The simulation results show that the change of fuel cell output power gives rise to the changing of cooling water in auxiliary system in different working condition of deep-sea carrier platform,the auxiliary system can continue to provide suitable cooling water for the fuel cells,and in the entire dynamic simulation process,which has good stability and dynamic response.Keywords:fuel cell;deep-sea operating platform;auxiliary system;simulation;MATLAB/Simulink.0 引言引言 近年来，随着环境问题的日益突出以及煤、石油等资源的逐渐减少，使用高效、节能环保的能源迫在眉睫，燃料电池基于其高效节能环保的优良特性，使其在汽车领域有良好的竞争优势，并且迅速成为各国争先发展的技术高地。而对大 收稿日期：2022-10-24 基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20200165）作者简介：李彬彬（1989-），男，工程师。研究方向：水下装备动力及电力系统。E-mail： 潜深水下运载平台来说，系统的效率和排放问题是重中之重，而燃料电池基于其在这一方面的优良特性，在使之作为水下装备动力系统成为现实1，并引起很多发达国家的广泛关注。目前，多国的水下装备都已采用燃料电池动力系统，在潜艇方面如德国的 212、214 以及 218SG，俄罗斯的阿穆尔等，在水下无人潜航器方面如德国的DeepC、日本的 Urashima 号(浦岛号)以及美国研制的 21和 44系列 UUV 等。因此，燃料电池作为动力系统将会成为水下装备发展的趋势。燃料电池与传统的热机相比，其作为一种新Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 43 型基于电化学的发电装置，直接通过氢气和氧气发生电化学反应直接将化学能转化为电能，从而给负载持续供电。因此，其整个工作过程不受卡诺循环的限制，因此，其能量转化效率可达 45%至 65%。然而，从能量转化方面来看，燃料电池和其它动力装置有一个共同特点就是在其工作过程时，并不是把所有的能量都能转化为电能，除了电能外，在转化为电能的过程中会发生部分能量损失，该能量损失最终以热量的形式表现出来，约为总能量的 50%左右，由于氢氧燃料电池的最佳工作温度在 6080范围内，如果化学反应产生的热量不能及时被带走，过多的热量累积会导致电堆内部温度过高、催化剂衰减、电堆性能下降等一系列问题，因此，燃料电池系统的散热是需要重点关注和研究的问题之一，然而就目前相关的研究来看，大部分文献主要是针对氢空燃料电池的热管理进行分析研究，文献2建立了氢空燃料电池热管理系统中散热器风机和冷却液循环泵的面向控制模型，分析了循环水泵、散热风机电压对电堆性能的影响；文献3主要分析计算了车载 25 kW级氢空燃料电池的氢气及空气消耗量以及电堆的散热量；文献4搭建起 36 kW 的燃料电池发动机散热系统的测试平台并对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。由此可见，针对水下大功率的氢氧燃料电池的散热问题相关方面的研究较少，为此，本文将对水下大功率氢氧燃料电池系统的辅助系统进行仿真建模，并与试验数据进行对比，这对今后辅助系统是系统设计、功能优化有着重要意义。1 系统组成及原理系统组成及原理 深海运载平台的燃料电池辅助系统示意图如下图所示，其主要由燃料电池电堆、循环水泵、循环水箱、板式换热器、节温器、管路及其它阀件组成。循环水泵将循环水箱中的纯水带入燃料电池电堆，从而将电堆正常工作时产生的热量带走，电堆出口的纯水通过节温器的调节，分配其进入换热器或循环水箱中的水量，在循环水箱中将经过换热器冷却后的纯水和直接进入循环水箱中的纯水充分混合，换热器主要是通过低温淡水将高温侧的纯水进行冷却，以此来保持电堆持续工作在合适温度范围内。换热器燃料电池电堆Tli TloThiThomsmp1-x循环水箱TstoTsti 图 1 深海作业平台辅助系统示意图 2 数学模型数学模型 2.1 电堆热负荷模型 燃料电池在实际的工作过程中，在产生电能的同时会伴有大量热量的产生，从而引起电堆温度的升高，根据能量守恒定律可知，进入燃料电池电堆发生电化学反应产生的总功率 Ptot主要包含以下几部分：电堆储存的热功率 Pstack，这部分热功率最直观的表现是引起电堆温度变化；转化为电能输出的功率 Pelec；被循环水带走的热功率Pcool；散失到空气中的热量 Ploss以及进入电堆的氢气及氧气带入的热量，由于氢气及氧气带入的热量较小，可以忽略不计，由此，可以得到电堆的能量方程为 totstackeleccoollossPPPPP 由于散失到空气中的热量所占比重较小，可忽略不计，因此，燃料电池电堆产生的热量与电堆电压及电流间的关系可表示为5：1.481()1totelecelecQ tPPPV 式中：V为电堆单电池平均电压，Q(t)为燃料电池在单位时间产生的热量。然而在电堆实际工作过程当中，由于电堆在不同输出功率时，其燃料电池的发电效率也不一样，这样就会造成燃料电池在不同输出功率时，其产生的热量也不一样，为了保证建模的准确性，这里某型特定电堆进行试验分析，对试验测得的电堆在不同负荷率下的效率进行二项拟合，得到的拟合曲线如下图所示，其中虚线为实际试验数据曲线，实线为拟合曲线。拟合得到的负荷率/效率曲线如下：320.0720.038-0.0820.587XXX 2.2 电堆冷却换热模型 为保证燃料电池产生的热量不会引起电堆温度的升高，因此需要用冷却介质将多余的热量船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 44 带走。在对电堆冷却换热建模过程中，其热量传递图如下图所示。图 2 电堆负荷率/效率拟合曲线 图 3 电堆内部冷却换热图 上图中，Q(t)为在规定时间内，由于电堆发生反应产生的热量，Tsto为循环冷却水出电堆的温度；Tsti为循环冷却水进电堆的温度：mst为循环冷却水的质量流量。忽略电堆与外界空气之间的热量交换，根据热平衡关系可知，在单位时间内燃料电池电堆蓄热量的变化=燃料电池在单位时间内产生的热量-循环水在单位时间内带走的热量。由此，可得下列方程6*()-(-)stostackDstwstostidTPWQ tm C TTdt 式中，WD为电堆循环冷却水和电堆总的热容量，WD=Mw*Cw+Mj*cj；Mw、Mj分别为电堆循环冷却水和电堆的质量；Cw和 Cj分别为电堆循环冷和电堆的比热。2.3 节温器模型 节温器作为燃料电池辅助系统的关键部件，对整个辅助系统的性能有着至关重要的的作用，其将从电堆出来的循环冷却水分为两路，主要用于调节进入或旁通换热器的循环冷却水流量，其工作原理如下：当系统中的冷却水温度低于节温器的开启温度时，其主阀关闭，从电堆出来的冷却水旁通换热器，直接进入循环水箱；当冷却水的温度达到节温器的开启温度时，其主阀打开，此时冷却水全部经过换热器，进而将电堆产生的热量通过换热器带走7。引入变量 x 为节温器主阀的开度，取值范围为0，1，1 表示全部进入换热器，0 代表完全旁通换热器，其混流模型为：tan(1)(1)pstocstokhostom=x mm=xmT=xTx T 式中，mp为旁通换热器的循环水质量流量；mc为进入换热器的循环水质量流量；Ttank为循环水箱中的循环水温度；x 为节温器主阀的开度；mst为从电堆流出的循环水质量流量。2.4 换热器模型 换热器的主要作用是将从电堆出来的循环水与低温淡水进行换热，从而对电堆循环水进行冷却，其流量要满足整个系统在额定工况下的换热量的要求，从而维持燃料电池电堆工作在合适的温度范围内，根据传热学理论可得换热器的传热方程式为：0SQK TdS 式中，Q 为热负荷；K 为任何一个微单元的传热系数；dS 为微元传热面积；T为该微单元的传热温差。根据系统热平衡理论可得换热器低温侧和高温侧的热平衡方程分别为：LLLLoLi(c)LQq TT HHHHi()cHHoQq TT 若把换热器向环境散放的热量忽略，则可得 LHQQ 目前，换热器的换热计算方法主要有两种：分别是对数平均温差法(LMTD)和传热单元数法8，对数平均温差法进行计算时，要不断假定出口温度进行迭代计算，运算比较复杂，此外，通过查阅换热器资料，换热器的 K和 S 都是已知量，因此，使用传热单元数法就更适合。传热有效度 以冷热流体温度作为变量可表示为：hihohchicilolihchili TTWWTTTTWWTT，传热单元数的定义式为 hNTUKA/Q 则传热有效度为9 Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 45 ccc1 exp(1)1*exp(1)NTURRNTUR 式中WH和WL分别为高温循环水与低温循环水的热容量；A 为总的换热面积；Rc 为热容比，WH/WL。当已知后，实际传热量为 hhici()QW TT 2.5 循环水泵模型 循环水泵的主要作用是将循环水箱中冷却后的水加压送至燃料电池电堆入口，为循环水在管路间的流动提供动力。为了分析循环水泵流量和扬程之间的关系，可根据泵的选型及流量-扬程曲线进行曲线拟合10，即：2012 aaQHa Q 式中，H 为泵的扬程；Q 为泵的流量；0a，1a，2a为拟合系数。而在实际工作过程中，由于本试验中的循环水泵采用的工频泵，流量在各个工况下的变化不大，因此，这里循环水泵流量取额定流量。3 系统仿真模型的构建系统仿真模型的构建 本文采用 Matlab/Simulink 建立整个系统的仿真模型，主要包括电堆热负荷仿真模型、电堆冷却换热仿真模型、节温器仿真模型、换热器仿真模型等。电堆的发电功率与热功率的关系通过该型电堆的实际试验数据进行二项拟合所得。当燃料电池电堆的输出功率发生变化时，电堆产生的热功率也会发生变化，进而对进出电堆的循环水温度产生影响。本文以燃料电池电堆的不同输出功率的阶跃变化作为作为输入，根据电堆输出功率的变化建立燃料电池辅助系统的仿真模型，研究输出功率的变化对电堆进出口温度以及系统热负荷的影响，为后期辅助系统的优化设计以及提高电堆的性能提供参考，其辅助系统整体仿真模型如下图所示。4 仿真结果分析仿真结果分析 4.1 换热器低温侧进口温度对电堆温度的影响 燃料电池电堆输出功率稳定运行在 40 kW，2500 s 后将换热器低温侧进口温度由原来的 23升高至 25 稳定运行，在 5000 s 时再将 25降低至 21，运行仿真模型，各个变量到达稳态，电堆出口温度 Tsto、电堆进口温度 Tsti以及换热器低温侧进口温度 Tlo的变化如下图所示。图 4 深海运载平台燃料电池辅助系统整体模型 图 5 燃料电池电堆冷却水温度变化仿真图 由上图可以看出，当换热器低温侧进口温度（绿色）由 23升高至 25时，电堆进出口温度相应升高，电堆入口温度（红色）由 41.1升高至 42.8，电堆出口温度（蓝色）由 47.6升高至 49.3；当换热器低温侧进口温度由 25降低至 21时，电堆进出口温度相应降低，电堆入口温度由 42.8降低至 39.3，电堆出口温度由49.3降低至 46，可见电堆的进出口温度会随换热器低温侧进口温度的变化而变化，这也符合我们的预期。4.2 变工况下辅助系统动态仿真 仿真开始前，首先在已完成的 Model 中的Simulation 状态栏下的 Configuration Parameters选项对相关的仿真参数进行设置，然后开始进行模型的仿真测试。图 6 燃料电池电堆输出功率阶跃变化图 船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 46 燃料电池电堆输出功率的阶跃变化曲线输入如上图所示，电堆的输出功率由初始值 14 kW运行 2500 s 后增加至 40 kW，继续运行 2500s 后突增至额定功率 60 kW，然后继续稳定运行 3000 s。燃料电池电堆输出功率根据上图的工况阶跃变化后，运行仿真模型，各个变量到达稳态，电堆出口温度 Tsto、电堆进口温度 Tsti以及换热器低温侧循环水出口温度 Tlo的变化曲线如下图所示。图 7 燃料电池电堆冷却水温度变化仿真图 在上图中，蓝色为电堆出口温度，红色为电堆进口温度，绿色为换热器低温侧循环水出口温度，从仿真开始至 1000s 时，三个温度变量逐渐趋于稳定，稳定后的 Tsto为 30.4，Tsti为 28.4，Tlo为 23.4，2500s 后，电堆输出功率从 14kW突变为 40kW，由于受到电堆输出功率阶跃信号的影响，电堆出口温度 Tsto从 30.4升高并最终稳定至 47.8，电堆进口温度 Tsti从 28.4升高最终稳定值 41.2，换热器低温侧循环水出口温度从 23.4升至 24.2；5000s 时，电堆从 40kW阶跃至 60kW，电堆出口温度 Tsto再次从 47.8升高至 69.7，电堆进口温度 Tsti从 41.2升高至57.3，换热器低温侧循环水出口温度 Tlo从24.2升高至 25.3，各变量又重新达到新的平衡。图 8 电堆进出口温度差仿真图 电堆进出口温度差如上图所示，由上图可以看出，在燃料电池电堆输出功率由 14kW 阶跃变化至 40kW，最终升至 60kW，在整个仿真过程中，燃料电池电堆的进出口温度差由 2.0变化至6.7，再由 6.7升至 12.5，最终达到稳定，可见，当循环水流量保持稳定后，电堆进出口温度差随着电堆功率的增加，电堆进出口温差也逐渐增大，这也符合实际情况，因为，电堆输出功率变大后，电堆产生的热功率也增大，因而，当循环水流量不变时，电堆的进出口温差就会变大，各个工况下的电堆进出口温度差如下表所示 表 1 主要参数误差比较 功率/kW 14 40 60 电堆进出口温差仿真值/2.0 6.7 12.5 电堆进出口温差试验值/2.11 7.3 11.9 相对误差 5.2%5.6%4.8%由上表可以看出，辅助系统的仿真模型在各个工况下的变化情况同试验值的趋势基本一致，相对误差没有进一步减少的原因是在实际试验中节温器的开度是根据温度的变化实时变化，而在仿真时将节温器的开度固定在某一状态，若调节节温器的开度状态，相对误差会进一步减少。5 结语结语 本文以某深海运载平台的燃料电池辅助系统为对象，通过建立电堆热负荷模型、电堆冷却换热模型、节温器模型、板式换热器等模型，最终构成了整个燃料电池辅助系统的数学模型，并在此基础上，结合深海运载平台在不同工况下输出功率变化对辅助系统冷却水温度的影响，以Matlab/Simulink 为平台对整个辅助系统进行仿真研究。仿真结果表明，在深海运载平台的不同工况时，由于电堆输出功率的变化，辅助系统能够根据工况的不同为燃料电池电堆提供适合其温度范围的冷却水，并且在整个动态仿真过程具有较好的稳定性和动态响应，这对今后辅助系统是系统设计、功能优化有着重要意义。参考文献参考文献:1 喻济兵,王振,范晶等.燃料电池系统热能仿真与能效优化J.船电技术,2017,37(11):78-81 2 郭爱,陈维荣,刘志祥等.燃料电池机车热管理系统建模和动态分析J.西南交通大学学报,2015,50(5):953-960 3 Jiwei Xu,Qiongwen Pan,Binbin Li.Experimental 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