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氢能储存与燃料电池联合系统动态模拟1

氢能储存与燃料电池联合系统动态模拟

摘要

氢能作为清洁能源的重要组成部分，其储存与利用技术已成为全球能源转型的关

键领域。本报告针对氢能储存与燃料电池联合系统，提出了一套系统化的动态模拟方

案，旨在通过高精度数学建模与仿真技术，揭示系统在不同工况下的动态响应特性。报

告首先分析了氢能产业的发展现状与技术瓶颈，随后构建了包含储氢容器、燃料电池堆

及辅助系统的完整数学模型，并开发了基于MATLAB/Simulink的动态仿真平台。研究

结果表明，该联合系统在变负载条件下表现出良好的动态响应能力，但存在热管理滞后

和压力波动等关键问题。通过优化控制策略，系统效率可提升15%20%，响应时间缩短

30%。本报告为氢能系统的工程设计与运行优化提供了理论依据和技术支撑，对推动氢

能产业化进程具有重要意义。

引言与背景

全球能源转型趋势

当前全球正经历从化石能源向可再生能源的深刻转型。根据国际能源署(IEA)2023

年报告，可再生能源在全球能源结构中的占比已达到28%，预计2050年将超过65%。

在这一背景下，氢能作为连接可再生能源与终端用能的理想载体，其战略地位日益凸

显。氢能具有能量密度高(142MJ/kg)、清洁无污染、可长期储存等优势，特别适用于

交通、工业和电力等难以电气化的领域。欧盟”氢能战略”规划到2030年电解制氢能力

达到40GW，美国《通胀削减法案》则为绿氢生产提供最高3美元/公斤的税收优惠，

这些政策加速了全球氢能产业链的形成。

中国氢能发展战略

中国将氢能定位为国家能源体系的重要组成部分。国家发改委、国家能源局联合印

发的《氢能产业发展中长期规划年)》明确提出，到2025年氢能产业产值将

达到1万亿元，燃料电池车辆保有量约5万辆。规划特别强调要突破氢能储存与燃料

电池等关键技术，建立完整的产业创新体系。在”双碳”目标下，氢能成为中国实现能源

结构深度脱碳的重要路径。据中国氢能联盟预测，2060年中国氢能年需求量将增至1.3

亿吨，其中可再生能源制氢占比达到70%，氢能在终端能源消费中的比重将达到20%。

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研究意义与必要性

氢能储存与燃料电池联合系统是氢能应用的核心环节，其动态特性直接影响整个

系统的安全性和经济性。现有研究多集中于单一组件的稳态性能分析，对系统级动态响

应的系统性研究相对缺乏。随着氢能在电网调峰、交通动力等领域的应用拓展，系统面

临频繁启停和负载变化的工况，亟需建立精确的动态模型来预测和优化系统行为。本报

告提出的动态模拟方案，填补了这一研究空白，为氢能系统的工程设计、控制策略优化

和运行管理提供了科学依据，对促进氢能产业健康发展具有重要现实意义。

研究概述

研究目标与范围

本研究旨在构建氢能储存与燃料电池联合系统的动态模拟平台，实现以下核心目

标：建立涵盖储氢容器、燃料电池堆及辅助系统的全系统数学模型；开发基于物理机理

的动态仿真工具；分析系统在典型工况下的动态响应特性；提出优化控制策略提升系统

性能。研究范围包括高压气态储氢系统(3570MPa)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)系

统(功率范围5100kW)以及两者间的能量管理与热管理系统。研究不考虑制氢环节，假

设氢气来源为外部供应。

技术挑战与创新点

研究面临的主要技术挑战包括：多物理场耦合建模难度大，涉及电化学、热力学、

流体力学等多个学科；系统动态响应具有强非线性特征，传统线性模型难以准确描述；

实时仿真计算复杂度高，需要平衡精度与效率。本研究的创新点在于：提出基于等效电

路和热网络的多尺度建模方法；开发自适应步长算法提高仿真效率；建立系统级动态性

能评价指标体系；设计基于模型预测控制(MPC)的优化策略。这些创新为氢能系统的

动态模拟提供了新的理论工具和工程方法。

研究价值与应用前景

本研究具有显著的理论价值和广阔的应用前景。在理论层面，建立了氢能系统动态

分析的完整框架，丰富了能源系统建模理论；在技术层面，开发的仿真平台可直接用于

工程设计优化，缩短研发周期；在应用层面，研究成果可指导氢能电站、加氢站、燃料

电池车辆等实际系统的运行管理。随着氢能产业的快速