质子交换膜燃料电池发动机冷却系统仿真与废热利用

• 作 者: 朱高辉
• 发表日期: 2010年01期
• 关键词: 质子交换膜燃料电池 冷却系统 GT-COOL 仿真计算

以清洁和可再生燃料氢气作为燃料的燃料电池凭其高效、低温高功率密度、快速启动和零排放的特点引起人们的高度重视,最有可能成为新能源汽车的动力装置。燃料电池发动机的工作效率大概在40%～60%之间,内部约有40%～60%的能量耗散为热能,其热负荷达到传统汽车的两倍。燃料电池理想工作温度为65-70℃,工作时会产生大量的废热,其中95％以上通过冷却循环水带走,以保证燃料电池在合适的温度下工作。燃料电池废热为低品位能量,但根据燃料电池的特点,可对尾气能量回收利用。论文采用模拟仿真方法研究PEMFC冷却系统散热,并探讨其废热利用方式。本文首先探讨了基于GT-COOL软件的燃料电池发动机冷却系统建模方法,主要包括以下内容：介绍了燃料电池发动机冷却系统仿真的数学模型,详细分析了所采用的物理模型,包括燃料电池发动机模块以及冷却系统模块。其次,运用GT-COOL软件建立了30kW质子交换膜燃料电池发动机冷却系统的一维仿真模型,该模型主要由电堆、水泵、风扇和散热器子模型组成。利用该模型对燃料电池在各工况点的冷却系统散热特性进行仿真,并将仿真结果与实验数据进行比较分析,仿真结果与实验值的相对误差在5%以内,证明模型是合理的。在此基础上探讨了主要参数对冷却系统的影响；利用GT-COOL软件建立大功率燃料电池发动机冷却系统模型,通过对仿真结果对比分析,对各个模块化方案进行选择。能量回收再利用技术在任何动力系统中都是不容忽视的技术,对于燃料电池发动机系统实现其尾气的能量回收再利用具有非常重大的意义。本文提出一种能量回收方式：尾气水分回收装置。该装置利用尾气对阴极进气空气进行加热,同时使尾气温度降低,对尾气中的水分进行回收,若氢气与空气反应生成水能全部回收,则燃料电池发动机发动机初次补充加湿水后,在连续工作过程中无需再加加湿水。