质子交换膜燃料电池发动机空气系统仿真与试验研究.pdfVIP

第 1期 (总第 192期) 车 用 发 动 机 No．1(Seria1No．192) 2011年 2月 VEHICIE ENGINE Feb．2O11 质子交换膜燃料 电池发动机空气系统仿真与试验研究 许N-传 ，安 凯 ，周定贤，常 国峰 (同济大学汽车学院，上海 200092) 摘要 ：基于 AMEsim 分析软件建立 了质子交换膜燃料 电池发动机空气系统模 型，对某高压燃料 电池发动机 台 架的空气系统进行 了仿真计算和试验验证。结果表 明，仿真结果与试验结果基本吻合 ，具有明显的一致性 ，仿真研 究能够为空气系统设计 以及控制提 供理 论依据 。 关键词 ：燃料 电池发动机 ；空气 系统 ；仿真 中图分类号 ：TK433．44 文献标 志码 ：B 文章编号 2011)O卜0038—04 燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能， 机出 口温度不超过 6O℃，一般需要喷入一定的冷却 摆脱了卡诺循环热效率的限制，以其高效清洁的优点 水进行冷却。因此空气压缩过程包括压缩、加湿和 被视为 内燃机动力 的理想替代选择。燃料 电池种类 热交换过程 (见图 2)。 繁多，其中质子交换膜燃料 电池 (PEMFC)在汽车上 应用最为广泛口]。PEMFC反应堆需要同燃料供给系 统、水热管理系统、控制安全系统等其他辅助系统集 成才能成为完整的车用燃料电池发动机系统。 燃料 电池发动机的空气系统 由空气压缩机 、加 图 2 空气 压 缩 过程 解 耦 不葸 湿器、冷凝器等组成 ，对燃料 电池发动机的性能 、安 本研究提出的模型基于 以下假设：空气 的实际 全 以及寿命有决定性影 响，是燃料 电池发动机开发 压缩过程等效于压缩、加湿和热交换过程的耦合 ；压 与研究的核心关键技术之一 【 。 缩空气为理想气体 ；压缩过程为绝热压缩 ；加湿过程 本研究基于 AMEsim分析软件建立 了质子交 中液态冷却水喷人空气压缩机后立即汽化为出 口温 换膜燃料 电池发动机空气系统 的模型 ，对某高压燃 度下的饱和水蒸气 ，且汽化需要 的热量完全 由绝热 料电池发动机的空气系统主要部件进行了仿真计算 压缩产生的热提供 。 和台架试验 ，并就仿真计算结果 与试验结果进行 了 空气压缩机建模思路为利用试验获得的空气压 分析讨论。 缩机MAP图(m—f(e。，)，质量流量是压缩 比￡与 转速 的函数)作为基准，对不同工况进行修正[3]。 1 空气系统建模 1．1．1 绝热压缩 高压燃料 电池发动机空气系统见图 1。 空气压缩机空气质量流量 dm—dmc‘。√。 式中：m为空气压缩机空气质量 流量 ；f／t为空气压 缩机参考 空气质量 流量；t 为空气压缩 机基准温 度 ；t。为空气压缩机人 口温度 ； 为空气压缩机基 图 1 燃料 电池发动机空气系统示意 准压力；P．为空气压缩机人 口压力。 空气压缩机转速为 1．1 空气压缩机 因为空气经压缩