【燃料電池數(shù)學模型及系統(tǒng)的熱探析綜述7900字（論文）】

燃料電池數(shù)學模型及系統(tǒng)的熱分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u21519燃料電池數(shù)學模型及系統(tǒng)的熱分析綜述 1138561流體力學模型 1309241.1能量守恒方程 1215311.2質(zhì)量守恒方程 2323551.3動量守恒方程 362381.4組分守恒方程 4224392燃料電池熱管理系統(tǒng)分析 4110223燃料電池熱源分析 546713.1燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱 5145743.2燃料電池系統(tǒng)散熱 6283693.3冷卻介質(zhì)散熱 8213184燃料電池熱管理系統(tǒng)主要組成部件 9183624.1散熱器 10103284.2水泵 1187694.3節(jié)溫器 1282354.4散熱系統(tǒng)材質(zhì)及去離子裝置要求 12質(zhì)子交換膜燃料電池是一個復雜的三維多相、動態(tài)的復雜系統(tǒng)。燃料電池中流體的流動、多介質(zhì)的氣體擴散、水的相變、水在質(zhì)子交換膜中的傳遞以及催化層中的電化學反應同時存在并且相互耦合。所以，要做好燃料電池的氣場設計和水熱管理、提高燃料電池的性能，建立一個全面描述質(zhì)子交換膜燃料電池工作過程的數(shù)學模型是非常重要的。[29][30][31][32]下面介紹燃料電池中流場分析模型、電化學模型、熱源分析及散熱量模型。1流體力學模型基本流體力學模型分析流場所依據(jù)的控制方法方程有能量守恒方程、動量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和組分守恒方程。1.1能量守恒方程燃料電池的溫度涉及到流道（冷卻和氣體）、雙極板、多孔電極，溫度分布計算是一個對流一一導熱綜合的傳熱問題。在流道中，既有導熱的熱傳遞，又有對流；雙極板中，熱量的傳遞只考慮導熱；多孔電極上，熱量的傳遞比較復雜，在氣體擴散層，熱量是通過流體中的部分對流和擴散，以及固體基質(zhì)中的然傳導。在不考慮粘性耗散產(chǎn)生的熱量，對于多孔介質(zhì)而言，對流體和固相中的能量方程進行平均，將他們相加得到多孔介質(zhì)的能量方程。以此類推，可以建立催化層和模中的能量方程。因此，應用統(tǒng)一的熱量傳遞方程描述整個計算域內(nèi)的溫度分布，能量守恒方程如下：??λeff?T=??考慮歐姆熱、化學反應熱、相變時的吸放熱，及活化極和濃差極化產(chǎn)生的熱。S?=I2式中：λeff?pS?I電流密度；Ro?m?p?aseRan,cat1.2質(zhì)量守恒方程假設流體為連續(xù)介質(zhì)和適當流速條件下，方程為：?ερ?t+??等式左邊為非穩(wěn)態(tài)項和對流項，右邊為質(zhì)量源項。其中ρ、ε、U、Sm依次為密度、孔隙率、速度矢量、質(zhì)量源項，S對于陽極和陽極的流道與擴散層，Sm均為零，陰極和陽極催化層SSm=SHSm=SH式中：MH2OHMH2H2MO2O2ianicatF法拉第常熟，96487C根據(jù)法拉第定理可得，電流與反應氣體的關系，其質(zhì)量源公式：SH2=MSH2O=SO2=M式中水源項包含了相變引起的水質(zhì)量變化。1.3動量守恒方程對于流體，要考慮正應力和切應力，根據(jù)斯托克斯粘性定律得出t方程為???ρUU=?ε?pP流體壓力；μeffSU在實際流道中，SU為零，方程轉(zhuǎn)化為Navier-Stokes在擴散層和催化層的多孔電極中，因流道慢梯度較小，在不考慮粘性力和慣性力對流體動量的影響，方程為SU=?μeffε其中，k為多孔介質(zhì)的氣相滲透率。1.4組分守恒方程在速度場U存在的情況下，其化學組分的流量由對流流量和擴散層流量兩部分組成，參與化學反應的化學組分H2O、H2??ερUYi=??由Fick定律得，等式左邊第一項為擴散量。Y為組分i的質(zhì)量系數(shù)，SkSk=snFDi,effn組分k反應的得失電子數(shù)；s反應的化學計量系數(shù)；H2O，H2SH2=?1SH2O=?SO2=12燃料電池熱管理系統(tǒng)分析質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理系統(tǒng)主要有循環(huán)水杯、節(jié)溫器、低電導率冷卻液、ATS散熱器AutomaticTemperature-controlSystem（散熱器與電子風扇集成）、副水箱、冷卻水管和溫度監(jiān)測及電子風扇控制器等組成。通過整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，保證燃料電池工作的溫度在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)變化時溫度能處在溫度狀態(tài)。燃料電池熱管理系統(tǒng)的控制目標是將水泵和ATS散熱器電子風扇進行有效控制，散熱器控制電堆冷卻液進口的溫度，水泵控制電堆冷卻液進出口的溫差，并將其控制到理想狀態(tài)。燃料電池熱管理系統(tǒng)主要考慮的情況如下：（1）燃料電池最佳工作時的溫度。本文所研究的客車選用的燃料電池最佳工作溫度為65℃?2+2，最佳工作溫度溫度范圍一般為60-80（2）燃料電池進出口冷卻液的溫差。要使燃料電池內(nèi)部溫度均勻分部，以避免電堆內(nèi)部溫差過大致使冷卻流道內(nèi)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，需將燃料電池電堆進出口冷卻液的溫差控制在5℃。（3）燃料電池熱管理系統(tǒng)中各個部件的耐溫性，以及承受的極限溫度。（4）環(huán)境適應性。低溫適用性：燃料電池工作時的環(huán)境溫度范圍涵蓋5℃，要實現(xiàn)?10℃時低溫冷啟動，及?40~65℃存儲溫度范圍，以備儲存及運輸。溫濕耐受性：燃料電池能在高濕環(huán)境下≤95RH工作，且要通過GB/T2423.4-2008交變濕試驗，以及GB/T2423.17-2008煙霧試驗。3燃料電池熱源分析燃料電池將內(nèi)部電化學反應轉(zhuǎn)換成電能，并伴隨產(chǎn)生大量的熱量，如圖2-1。圖2-1燃料電池能量系統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池可視作一個能量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)存在冷卻水、氫氣、空氣的熱力學能，以及化學反應具有的化學能。電堆中通過反應產(chǎn)生電能、冷卻水和產(chǎn)生的熱能，以及余氣的的熱力學能。系統(tǒng)的增量就是電堆熱力學能的增加，使電堆內(nèi)部的溫度產(chǎn)生變化。根據(jù)熱平衡方程Q=CM?T，熱平衡關系如下：CstMstd式中，Cst電堆比熱容，kJMst電堆的質(zhì)量，kgQgen電堆的產(chǎn)熱功率，kwQdis電堆的散熱功率，其中各熱量均是單位時間內(nèi)產(chǎn)熱和散熱，可視為燃料電池的產(chǎn)熱和散熱，且燃料電池系統(tǒng)的熱量分析可視為系統(tǒng)的產(chǎn)熱和散熱兩個部分。3.1燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱假設燃料電池中的化學能全部轉(zhuǎn)化且只轉(zhuǎn)換為電能和熱力學能，這樣就可以更加精確計算燃料電池發(fā)出的熱量[33]：Qgen=Qtot式中，Qtot單位時間內(nèi)參與反應的反應物所存儲的化學能，kw燃料電池電堆內(nèi)部能力變化表現(xiàn)為因化學反應過程中反應物與生成物之間的焓變，其化學反應為：H2+12O2根據(jù)上式可知，電堆化學反應過程中產(chǎn)生水，同時釋放出大量的電能和熱能。再溫度25℃、分壓為1atm、生成液態(tài)水時，其化學反應焓變?yōu)?H=?285.8kJmol，應熱為?48.7kJmol。理想狀態(tài)下，氫氣參與反應時，將會產(chǎn)生單位時間內(nèi)參加反應的氣體消耗量與反應產(chǎn)生水的摩爾質(zhì)量是[34]：Nca.o2recNan.H2recNca.H2O式中，Nca.o2Nan.H2Nca.H2單位時間內(nèi)燃料電池中氫燃料全部化學能為：Qtot=?H×Nan.3.2燃料電池系統(tǒng)散熱要使燃料電池保持熱平衡，電堆產(chǎn)生的熱量和散發(fā)的熱量應相等。水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的熱量散發(fā)主要有傳傳遞和熱輻射，即通過循環(huán)冷卻液帶走的熱量，反應氣體帶走的熱量，燃料電池與周邊環(huán)境通過熱輻射帶出的熱量。本文所選用的冷卻介質(zhì)是高純度地電導率的去離子水，燃料電池系統(tǒng)的散熱主要是通過冷卻液從電堆冷卻流道帶走熱量。燃料電池的熱管理系統(tǒng)是一個非線性較復雜的系統(tǒng)，存在滯后、大慣性等特點。燃料電池化學反應氣體的進出都會產(chǎn)生和散發(fā)一部分熱量，而進出氣口的溫差較小，加之反應氣體的比熱容也較小，因此這部分熱量可以忽略不計。（1）電堆自身的熱輻射：?Qrad=δ?σ式中，δ電堆黑度；σbAradTcellT0（2）電堆內(nèi)水的汽化散熱：?Qq=m式中，mHmOγ水的汽化潛熱，2256kJkg（3）電堆循環(huán)冷卻介質(zhì)帶出的熱量：?Qconv=c?p?V式中，c水的比熱容；p水的密度；VHToutTin電堆內(nèi)部保持熱平衡，可表示為：?Q=?Qrad+?Q為方便研究質(zhì)子交換膜燃料電池的散熱過程，需進行假設，如下：（1）燃料電池系統(tǒng)中，電堆內(nèi)反應的氫氣一直利用循環(huán)泵將未反應的氫氣進行循環(huán)，且很少向外排出，這部分再電堆散熱過程中不進行考慮，故不考慮電堆中反應水蒸氣與反應氫氣對系統(tǒng)的影響。（2）對燃料電池而言，電堆本體的輻射熱在熱管理系統(tǒng)散熱占比較小，而且輻射熱散發(fā)的熱量很小，所以熱輻射所散發(fā)的熱量可忽略不計[35]。（3）假設水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中電堆溫度Tst等于電堆冷卻水出口溫度TTst=Tst根據(jù)上述假設，燃料電池系統(tǒng)的熱傳遞只考慮氣體的散熱量和通過冷卻介質(zhì)帶走的熱量，則可表示為：Qdis=Qgas式中，Qgas單位之間內(nèi)反應氣體帶出的熱量，kwQcl單位時間內(nèi)通過冷卻介質(zhì)帶出的熱量，kw3.3冷卻介質(zhì)散熱電堆散發(fā)熱量，熱量中的80%～90%產(chǎn)生于陰極側催化劑層，只有約5%的廢熱能被空氣尾氣帶出電堆[14]，即PEMFC工作時產(chǎn)生的熱量，有95%依賴于冷卻介質(zhì)帶走。冷卻介質(zhì)的傳遞熱是通過循環(huán)水泵將其進行循環(huán)，將熱量從電堆內(nèi)部通過冷卻介質(zhì)釋放出去，再進過ATS散熱器，由電子風扇與外部環(huán)境空氣進行熱量交換。對循環(huán)水泵而言，燃料電池熱管理系統(tǒng)通常采用交流電機驅(qū)動的水泵，在冷卻介質(zhì)循環(huán)中通過調(diào)節(jié)頻率進行流量的控制，得到散熱量對應的冷卻介質(zhì)流量。由水泵運轉(zhuǎn)的比例定律可知[36]：Wcl=kn（式中，k比例系數(shù)；Wcl冷卻水流量，L根據(jù)交流電機轉(zhuǎn)換公式可得，轉(zhuǎn)速與頻率的關系：n=60f1?sp式中，f循環(huán)水泵電機供電頻率，Hzs轉(zhuǎn)差率；p交流電機的極對數(shù)；一般情況下，交流電機的轉(zhuǎn)差率相對較小，從以上兩式可以得出，冷卻介質(zhì)流量與循環(huán)水泵電機轉(zhuǎn)速成正比，當水泵電機極對數(shù)是定值時，水泵電機轉(zhuǎn)速與頻率成正比，所以，冷卻介質(zhì)流量與循環(huán)水泵電機頻率也是正比關系。這樣可以通過改變循環(huán)水泵電機的頻率就可實現(xiàn)對循環(huán)水泵電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對冷卻介質(zhì)流量的控制。因此，燃料電池熱管理系統(tǒng)中可以通過改變循環(huán)水泵的頻率來進行對冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)。根據(jù)熱平衡方程，冷卻介質(zhì)從電堆帶出的熱量為：Qcl=Wcl由上面公式可得，冷卻介質(zhì)流量和電堆流道進出口溫差影響著冷卻介質(zhì)的散熱能力，又因循環(huán)水泵影響著冷卻介質(zhì)的流量，ATS散熱器影響著電堆進入口的溫度，所以，要實現(xiàn)ATS散熱器將電堆的產(chǎn)熱通過冷卻介質(zhì)與外界環(huán)境空氣進行交換，其散熱器的散熱量可用以下公式表示：Qrad=Cair式中，Wfan散熱器電子風扇的空氣流量，kgTrad,airATS散熱器冷卻介質(zhì)出口溫度，即電堆冷卻介質(zhì)進口溫度，根據(jù)以上兩個公式可得：Tstin=Trad,air式中，TradWrad經(jīng)過散熱器的冷卻介質(zhì)的流量，L4燃料電池熱管理系統(tǒng)主要組成部件水冷型熱管理系統(tǒng)主要由循環(huán)水杯、節(jié)溫器、ATS散熱器、副水箱、冷卻介質(zhì)管路和熱管理控制器及電子風扇控制器等組成。冷卻介質(zhì)一般采用低電導率的去離子水，冷卻介質(zhì)循環(huán)水泵提供壓力，使冷卻介質(zhì)從電堆冷卻流場流道中帶走熱量，再從ATS散熱器將熱量傳遞給外界環(huán)境中，形成一個完整的循環(huán)，整個系統(tǒng)在電堆工作時處于最佳平衡狀態(tài)。由于車載燃料電池系統(tǒng)功率較大，部件較多，結構復雜，對冷卻系統(tǒng)的要求較高，多采用冷卻介質(zhì)散熱的方式進行電堆內(nèi)部溫度的均勻分布的熱管理模式[37]。4.1散熱器通過液體和氣體進行熱交換最常用的換熱設備多是翹片式散熱器，本課題選用的是ATS散熱器，主要有電子風扇、護風圈、散熱器（芯、主片、進出水室）組成。（1）散熱器散熱管的數(shù)量數(shù)量n取決于冷卻介質(zhì)流量和散熱管橫切面積，可表示為：n=1000?Wcl60?vS式中，v散熱器散熱管內(nèi)冷卻介質(zhì)的流速，mss散熱器管道的橫切面積；m2（2）散熱器芯部的面積根據(jù)熱平衡方程可得，空氣的流量可表示為：Wair=Qair式中，Wair空氣的流量，mQair空氣帶走的熱量，kWρair空氣的密度，kg?T經(jīng)過ATS散熱器換熱后的環(huán)境中空氣溫度可取散熱器空氣進出風的平均值。氣體流通面積可表示為：Sair=Wair式中，Vair空氣的流速，m（3）散熱器的傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K表示為：K=1Saα式中，Sa散熱器空氣側的總散熱表面積，mαWSW散熱器冷卻介質(zhì)側總的散熱表面積，mαaηa空氣側對流換熱系數(shù)αaαa=ja式中，jaGa空氣的質(zhì)量流速，Ca空氣的定壓比熱，Pr總的空氣側傳熱面積傳熱效率：ηa=1?1?式中，Sfηf翹片的表面積，m冷卻介質(zhì)側的對流換熱系數(shù)：aW=NuW式中，NuλWd散熱單元的內(nèi)徑，m。散熱器的散熱能力可表達為：Qq=KSair當Qq4.2水泵當電堆工作狀態(tài)下，達到熱平衡時的散熱量可表達為：Qgen=Qcl由于燃料電池工作時，約有90%以上的散熱是通過冷卻介質(zhì)循環(huán)帶出，為方便研究，只考慮冷卻介質(zhì)的散熱，其表達式為：Qgen=Qcl冷卻介質(zhì)流量表達式為：Wcl=Qcl式中，ρH2O4.3節(jié)溫器節(jié)溫器可以對冷卻介質(zhì)流動路徑進行控制，并可以進行自動調(diào)溫。節(jié)溫器一共有三個閥口，可以是單進兩出或者是兩進單出的流動路徑工作形式，節(jié)溫器內(nèi)部的感應元件可以隨著冷卻介質(zhì)溫度的變化發(fā)生膨脹，從而對閥口進行控制及對冷卻介質(zhì)路徑的控制。節(jié)溫器對自身溫度的調(diào)節(jié)特性，在一定溫度控制范圍內(nèi)，會根據(jù)進出的冷卻介質(zhì)的溫度高低自動調(diào)節(jié)進入散熱器的冷卻介質(zhì)的流量，從而使燃料電池保持在合理的溫度范圍進行工作，保證了燃料電池良好的輸出性能。傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器的調(diào)節(jié)特性是固定的，為滿足燃料電池電堆能滿足復雜工況下穩(wěn)定輸出功率，應選用電子節(jié)溫器。使用電子節(jié)溫器的冷卻系統(tǒng)水溫不在是唯一的控制因素，其電控系統(tǒng)通過標定好的控制MPA(