燃料电池系统级建模涉及学科及知识领域
挑战1:燃料电池电堆的热力学和电化学计算需要已知如下的相关参数:
如上相关参数与气液体的部件流通过程强相关,同时与相关化学物质的状态属性数据强相关。
挑战2:燃料电池系统内部的不同组件的建模理论有所不同
挑战3:燃料电池电堆系统建模重要理论是基础
挑战4:燃料电池的气液相热力学及电化学计算基础为化学物质的热物理属性。
挑战5:燃料电池系统相关部件建模区别于其他系统建模
挑战6:模型需要考虑系统级要求及MIL和HIL需求
燃料电池系统级建模挑战的总结
PEMFC BoP组件研究的目标是开发一个仿真环境来支持设计工作和系统级优化。所有的子系统都建立在对某些阳极侧组件和燃油效率的特别关注的模型上。
使用MATLAB Simulink和Thermolib建立了燃料电池系统模型。原则上,使用与混合动力传动系统研究相同的仿真环境,在需要更精确的结果并且实时计算时间不成问题时,将两个模型进行耦合在一起。仿真系统的流程图如图4-15所示,Simulink中的模型如图4-16所示。
Thermolib库中提供了图所示模型中使用的一些组件。
系统模型介绍:
阴极模型
阳极模型
冷却系统模型
电堆内部模型
电堆模型库
热力学状态及属性模型库
热力学状态计算模型库
热及质量转换模型库
压力反馈部件模型库
气液源,数据池,化学平衡状态模型库等
电气与控制模型库
在阴极子系统中,环境空气被压缩,然后通过加湿器(在其变湿的地方)送入电堆并返回加湿器,然后排出。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。
空气压缩机压缩环境空气并以由压力反馈信息确定的速率输出,并且在由查找表数据确定的压力下输出。此外,在解决输出流量时要考虑环境湿度及热交换。
管道用于计算由于与管壁的摩擦以及与环境的热交换而引起的压降。由于不稳定的行为,目前还不适合将多个这样的管串联使用,因此对具有体积的管进行建模也是实现的。
膜加湿器在计算由于从湿侧扩散到干侧的水输送时使用与电堆相同的计算程序。
在阳极子系统中,氢气以一定的速率从氢气罐供应到电池组。在进入电堆之前,新鲜氢气与再循环流混合。当位于电堆之后的放气阀在短时间内(这是周期性地)打开时,来自罐的流速增加到由压力反馈信息确定的值。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。
氢气罐:
以与堆中的氢气消耗量相对应的速率输出流,并根据组合的压力反馈信息计算流量。流的组成作为参数给出。此处使用的管道与阴极子系统中的管道相同。
容器:
在阳极子系统中作为一个单独的组件使用,而不是在管道中使用(由于前面提到的原因)来仿真再循环流中惰性气体和水的积聚。惰性气体的堆积导致氢气浓度下降,导致电池电压下降。这可以通过定期吹扫阳极来避免。
冲洗阀:
周期性地打开,这导致来自水箱的新鲜氢气流过系统,从而增加氢浓度并增加电池电压。过量的吹扫会降低系统的效率。
再循环泵:
在作为参数给定的压力下将电堆输出气体再循环至输入。根据压力的增加(取决于通过系统的压力损失)和流量(除了在清洗期间除外),泵计算其功耗。
冷却水在电堆和热交换器之间的闭合回路中再循环。通过向换热器的另一侧供应空气来将冷却水保持在预定温度。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。
这里使用的管道用于与上述相同的目的。
风扇:
以将冷却水温度保持在预定水平所需的速率向换热器供应空气。由风扇供应的空气的压力由流过热交换器的空气的压降计算,即离开热交换器的空气的压力接近环境压力。使用空气流量和风扇提供的压力,可以假设一些风扇效率来计算功耗。
虽然模型中的组件已经实现,但是没有针对任何特定的系统调整参数,因此这里介绍的示例虽然正确地仿真了总体趋势,但并不正确。
以下,清洗间隔对再循环气体中氢摩尔分数(图4-17)和电池组电压(图4-18)的影响以及加湿器尺寸对电池组膜平均含水量的影响(图4-19)和叠加电压(图4-20)。
图4-17。吹扫间隔的比较(60s对90s) - H2摩尔分数
图4-18。吹扫间隔(60s与90s)的比较 - 堆叠电压
图4-19。加湿器尺寸(0.1 m2,1 m2)的比较 - 堆叠膜含水量
图4-20。加湿器尺寸(0.1 m2,1 m2)的比较 - 堆叠电压
仿真时间在很大程度上取决于
(1)使用的时间步长是多少(时间步长越小,结果越精确),
(2)仿真气液输送的准确程度(即计算中使用了多少个积分步骤)
(3)在仿真期间将多少数据保存到工作区。上述仿真是在<0.1 s的时间步骤(仿真变得不稳定的时间步骤大得多),求解气液运输时的相对较多的集成步骤(电堆中的1000个,加湿器中的100个)以及在工作区中保存相当多的数据。通过精确度和数据量的选择,系统以大约2 s / s的速率进行仿真。通过分别为电堆和加湿器选择200和50的积分步骤,仿真速率增加到约3s / s。
燃料电池系统模型将用于即将到来的项目中,以支持PEMFC设备平衡设计。
一旦PEMFC电池组和期初组件模型正在工作并适当调整,就会计划将Thermolib模型与混合动力传动系模型结合起来。这使得研究PEMFC系统动力学(如阴极鼓风机延迟和系统热质量等)如何影响混合动力传动系统组件尺寸和控制策略开发,从而更好地确信实际燃料电池系统性能将会是什么在实际构建它之前。