[发明专利]一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法

权利要求书

1.一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立车用质子交换膜燃料电池系统模型，包括电压模型、空压机模型、加湿器模型、冷却水泵、氢气循环泵模型；对模型进行实验验证与参数分析；步骤(2)：通过给定质子交换膜燃料电池阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况；步骤(3)：利用系统电功率、系统电效率、系统热效率、全系统效率模型对系统在电流阶跃变化情况下的热力学性能进行评价，实现车用质子交换膜燃料电池动态动态工况下的系统热力学评价；

具体设备包括PEMFC电堆和空气压缩机、冷却水泵、加湿器、氢气循环泵；

模拟了车用PEMFC系统在180-300A之间的电流阶跃变化，分别在80s、200s、320s、400s时发生电流阶跃；

步骤(2)由于燃料电池汽车在运行过程中负载能耗以及PEMFC工作参数都是动态变化的，因此通过电流与系统之间的拟合公式，通过给定PEMFC阶跃变化电流以达到模拟燃料电池汽车在行驶过程中负载变化情况，从而可以得到车用PEMFC系统动态工况下的性能输出；得到的动态响应相较于传统稳态响应更能体现运行中的燃料电池汽车的性能变化；

步骤(3)通过matlab/simulink仿真软件结合电效率、热效率、全系统效率模型对系统在电流阶跃变化情况下的热力学输出，通过对热力学结果的研究分析以达到车用PEMFC动态动态工况下的系统热力学评价；

整个PEMFC系统的热力学性能是综合考虑PEMFC堆栈输出和辅助部件能耗的结果，系统电功率、系统电效率、系统热效率、全系统效率模型具体如下：

P_{el_sys}＝P_{el_st}-P_compressor-P_pump-P_cycle

其中，P_{el_sys}为系统电功率(kW)，η_{el_sys}为系统电效率；η_{th_sys}为系统热效率；η_sys为全系统效率；P_{el_st}为PEMFC电堆电功率(kW)；P_{th_st}为PEMFC电堆热功率；P_compressor为空气压缩机功率；P_humid为加湿器功率；P_pump为冷却水泵功率；P_cycle为氢气循环泵功率；为氢气过量系数；LHV为燃料电池低热值(1.25V)；I_cell为系统电流(A)；N为燃料电池单电池数目；

通过以上公式结合PEMFC电堆模型及电流动态阶跃给定，可得动态工况下的车用PEMFC热力学性能输出；通过对系统输出结果图的分析，达到热力学评价的标准；

氢气循环泵模型：

W_cycle是循环氢气质量流量(kg/s)；c_pH2是氢气恒压比热容；T_t是气体预压缩温度；π_cycle是绝热压缩比；η_cycle是氢气循环泵的效率；V_cell为单电池电压(V)。

2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池动态工况下热力学性能的综合评价方法，其特征在于，

电压模型：V_cell＝E_Nernst-V_act-V_ohmic-V_con

E_Nernst是能斯特电位(V)；V_act是激活活化损耗电压(V)；V_ohmic是欧姆极化损耗电压(V)；V_con是浓度损耗电压(V)；

空气压缩机模型：

c_p指的是入口气体的恒压比热容(KJ/kg·K)；ΔT_gas是入口气体压缩后的温升(K)；是进气的质量流量(kg/s)；

加湿器模型：

是将1mol 298K的水加热至进气温度下的水蒸气所消耗的焓值(KJ/mol)；和分别是进气加湿后进气气体(空气、氢气)中水蒸汽流量(mol/s)；

冷却水泵模型：

f_w是冷却水流速(L/min)。