燃料电池系统热能仿真与能效优化.pdf

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1、船电技术

2、应用研究Vol.37No.112017.11燃料电池系统热能仿真与能效优化12喻济兵，王振，范晶（1.海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉430064；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）摘要：针对燃料电池系统，从提高系统总能效的角度出发，建立系统辅助装置循环水温度仿真模型，优化系统散热方式，减小系统对外散热，增大回收利用热能，从而提升燃料电池系统效率。关键词：燃料电池热能仿真中图分类号：TM911文献标识码：A文章编号：1003-4862（2017）11-0078-03H

3、eatSimulationandEnergyEfficiencyOptimizationofFuelCellSystem122YuJibing,WangZhen,FanJing(1.NavalRepresentativesOfficein712ResearchInstitute,Wuhan430064,China;2.WuhanInstituteofMarineElectricPropulsion,Wuhan430064,China)Abstract:Aimedatincreasingtheen

4、ergyefficiencyoffuelcellsystem,thetemperaturemodelofcirculatingwaterinauxiliarydeviceisbuiltinordertooptimizetheheatemissionmode,reduceheatlossesandincreasetheheatrecoveryefficiencyforimprovingthefuelcellsystemefficiency.Keywords:fuelcell;heatenergy;

5、simulation0前言金储存，氧化剂以液氧方式储存，工作时，储氢合金吸热释放氢气，液氧吸热汽化释放氧气，然水下续航力是常规潜艇最重要的战技指标之后将氢气和氧气输送到燃料电池发电装置，通过一，也是常规潜艇作战和水下生存的基础。为了两种物质发生电化学反应将化学能转化为电能输提高常规潜艇的作战效能，长期以来，潜艇设计[3,4]出。燃料电池发电装置、直流变换装置为放者一直在探索和研究不依赖空气的推进装置，以热源，储氢装置、供氧装置为吸热源，具体参数增大常规潜艇水下续航力，提高潜艇的隐蔽性和如表1所示

6、。安静性。燃料电池系统是一种电化学能源转化装可见，燃料电池发电装置放热功率大于储氢置，具有能量转换效率高、系统振动和噪声小、装置吸热功率和供氧装置吸热功率之和，说明系反应物清洁、配置机动灵活等优点，是常规潜艇[1,2]统在无额外能源供应条件下，热量可满足各关键理想的动力方案之一。燃料电池系统是热能动部件供给需求。通过回收利用燃料电池发电装置态平衡系统，为减小系统热能损耗，可从系统辅热能，用于储氢供氧装置释放氢氧气，可提高系助装置循环水设计的角度出发，优化系统散热方统效率和总能效。式，提高系统总能

7、效。燃料电池系统热量释放与利用分布图如图11燃料电池系统热能分布所示。燃料电池系统主要由燃料电池、氢源、氧源、2燃料电池系统热能仿真与能效优化控制以及辅助等子系统组成。氢燃料通过储氢合2.1燃料电池系统换热方案为了回收利用燃料电池发电装置释放的热收稿日期：2017-10-15能，设计辅助装置循环水系统如图2所示，燃料作者简介：喻济兵(1969-)，男，高级工程师。研究方向：电池发电装置释放热能由板式换热器E1交换至化学电源。78Vol.37No.112017.11船电技术

8、应用研究储氢供氧装置所

9、在循环水路，通过热水箱水量来至系统外冷水箱。调节水路温度；剩余热量由板式换热器E2传递QH—储氢供氧装置水路吸热功率。系统回收利用的热能ER计算公式如下：ER=QH2+QO2+QL+QH(3)系统总能效ηG定义为在规定的运行条件下，在给定的时间周期内，系统有效利用能量（电能输出和从系统回收热能的总和）与在相同时间周[5]期内系统消耗氢燃料热值的比率，计算公式为：ηG=(Pw+ER)/mH2×LHVH2×100%根据循环水路设计，可得系统热能平衡公式：(4)QFC=QE1+QL式中，Pw—系统输出

10、功率；mH2—氢气质量流量；(1)LHVH2—氢气低热值。QE1=QE2+QH2+QO2+QH(2)2.2燃料电池系统能效优化式中，QFC—燃料电池放热功率；QE1—板换为了提高燃料电池系统总能效，从辅助装置E1换热功率；QL—燃料电池发电装置水路吸循环水角度出发，优化系统散热方式，减小系统热功率；QE2—板换E2换热功率；QH2—储对外散热，增大回收利用热能。以储氢供氧装置氢装置吸热功率；QO2—供氧装置吸热功率；水路的水温为指示信号，当水温高于设定阈值时，79船电技术

11、应用研究Vol.37N