燃料电池系统电效率影响因素分析及其水热管理

燃料电池系统具有环保、无污染等特点,普遍被认为是“最有前景的车辆能源转换装置”,近些年来在世界范围内受到越来越多的科研工作者以及公司的关注,成为研究热点。燃料电池动力系统依托于电堆本体的氢气与氧气之间的反应产生能量,通过辅助装置为车辆提供动力。其中燃料电池电堆是该系统的核心部件,其电效率影响到车辆的平均成本、行驶里程、性能等,受到温度、湿度的影响较大。因此对温湿度的研究以及合理地控制能够使得燃料电池在高效的工作区间工作,保证运行稳定,发挥最大的性能。本文依托省校共建项目“高比功率燃料电池发动机关键技术研究与平台开发”,首先提出电效率的定义,将电效率的研究转为电压损耗的研究,从电压损耗入手,研究燃料电池在活化段、欧姆段、浓差段工作时的内阻成因,进行了温湿度的影响特性分析,由此获得了在三个工作区间的最佳操作参数。搭建燃料电池试验台架,设计了电流变化负载下的电堆输出性能实验,得出在不同温湿度条件下电堆的极化曲线,进一步研究了电效率的变化趋势,由此验证了温湿度影响电堆输出特性及电效率的具体表现。根据燃料电池系统的组成,设计了包括阴极供气系统、阳极供气系统、水管理系统以及热管理系统,根据极限工况条件,确立燃料电池散热需求,获得相关参数匹配,包括风扇以及水泵的散热需求等。进一步在实验方式基础上,根据反应机理及经验公式,利用理论研究的方式,建立数学模型,包括阴阳极供气系统模型,水泵、风扇模型、加湿器模型等。基于Matlab/Simulink软件平台搭建了燃料电池系统仿真模型,并制定了水热管理过程分析的评价要点,应用PID、模糊PID控制算法,系统地对燃料电池进行水热管理,通过各个子模块的关联耦合,实现了对电堆温湿度在固定目标值下的合理控制。在燃料电池温湿度控制基础上,开展了算例分析,进行了干扰工况下、特定工况和循环工况下的基本特征、变化特性以及优化结果的简要分析。以温湿度控制稳定、提高电效率为目标,应用不同的控制方法进行仿真分析验证合理性。