以一型發(fā)電功率大于15 kW的質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)為例,詳細介紹了低壓質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)總體設(shè)計理念,給出了空氣供給、氫氣供給、冷卻散熱三個關(guān)鍵輔助子系統(tǒng)的零部件匹配設(shè)計方法和選型依據(jù)。采用驗證過的系統(tǒng)仿真模型對該15 kW工程樣機的系統(tǒng)效率和輸出功率進行了仿真預(yù)測,計算結(jié)果表明該系統(tǒng)性能指標滿足預(yù)期設(shè)計要求。 

【文章來源】：電源技術(shù). 2020,44(08)北大核心

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【部分圖文】：

圖１?低壓ＰＥＭＦＣ發(fā)電系統(tǒng)原理圖??卻系統(tǒng)的作用是將電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從電堆內(nèi)部帶走，??保持燃料電池電堆在適宜的溫度范圍內(nèi)工作

電堆廠商提供的實測數(shù)據(jù)對比如圖３??所示。??１．０??１．２Ｓ擬合??１．２５實驗??１．５０擬合??１．Ｓ０實驗??０．８??１．７Ｓ擬合??１．７Ｓ實驗??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??圖３?電堆極化曲線計算值與實測值對比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??圖５?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)輸出電流－功率曲線??Ｉ／Ａ??圖６?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)輸出電流－效率曲線??仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比表明，該電堆仿真模型得到的??單片電壓誤差小于１５?ｍＶ。只是在高壓時，擬合結(jié)果相對實驗??數(shù)據(jù)偏高，這是因為一般而言，高壓下的燃料電池陰極會有液??態(tài)水生成，阻礙氣體擴散，造成一定的傳質(zhì)損失。而且本次低??壓ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作壓力進行匹配??設(shè)計，因此該仿真模型滿足工程設(shè)計的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)仿真結(jié)果分析??采用上述通過電堆極化曲線數(shù)據(jù)校核過的低壓ＰＥＭＦＣ??系統(tǒng)仿真模型，對某型額定發(fā)電功率１５?ｋＷ，電堆操作壓力不??大于１．２５ｘ?１Ｃ?ｐａ的低壓ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)設(shè)計方案進行了系統(tǒng)??性能仿真。??仿真結(jié)果如圖４？６，顯示在標定工況點（系統(tǒng)輸出電流??１５５?Ａ）時，電堆功率為１９．４?ｋＷ，系統(tǒng)輸出１７．６?ｋＷ，滿足為１５??ｋＷ技術(shù)指標要求。電堆功率最大可以達到２１?ｋＷ，系統(tǒng)功率??最大可以達到１９?ｋＷ，均出現(xiàn)在１９０?Ａ電流附近。當(dāng)電堆電流??Ｉ／Ａ??圖４?電堆輸出電流－功率曲線??大于１９０?Ａ

部件的技術(shù)參數(shù)。其中電堆模型中一些未知參數(shù)，??如氣體擴散層厚度、質(zhì)子交換膜厚度、交換電流密度等，可利??用電堆所給測試數(shù)據(jù)擬合出這三個參數(shù)。之后將基于擬合出??的數(shù)據(jù)，進而仿真系統(tǒng)在陰極壓力的功率、效率，并進行計算??分析，預(yù)測系統(tǒng)性能。??３．２?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)仿真模型驗證??采用該ＭＡＴＬＡＢ－Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型，對電堆在１．２５?ｘ?１?〇５、??１．５〇ｘ?１〇５和１．７５ｘ?ｌ（ＦＰａ操作壓力下的極化性能進行了仿真??計算。仿真計算結(jié)果與電堆廠商提供的實測數(shù)據(jù)對比如圖３??所示。??１．０??１．２Ｓ擬合??１．２５實驗??１．５０擬合??１．Ｓ０實驗??０．８??１．７Ｓ擬合??１．７Ｓ實驗??＞?０．７??ｓ：??０．６??０．５??０．４??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??／／Ａ??圖３?電堆極化曲線計算值與實測值對比??ｙ??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??Ｉ／Ａ??圖５?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)輸出電流－功率曲線??Ｉ／Ａ??圖６?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)輸出電流－效率曲線??仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比表明，該電堆仿真模型得到的??單片電壓誤差小于１５?ｍＶ。只是在高壓時，擬合結(jié)果相對實驗??數(shù)據(jù)偏高，這是因為一般而言，高壓下的燃料電池陰極會有液??態(tài)水生成，阻礙氣體擴散，造成一定的傳質(zhì)損失。而且本次低??壓ＰＥＭＦＣ工程案例采用的１．２５Ｘ?１〇５?Ｐａ操作壓力進行匹配??設(shè)計，因此該仿真模型滿足工程設(shè)計的精度要求。??３．３?ＰＥＭＦＣ系統(tǒng)仿真結(jié)果分析??采用上述通過電堆極化曲線數(shù)據(jù)校核過的低壓ＰＥＭＦＣ??系統(tǒng)仿真

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