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动态工况下车用燃料电池动力系统热力学分析及综合评价研究
| 论文题名： | 动态工况下车用燃料电池动力系统热力学分析及综合评价研究 |
| 关键词： | 车用燃料电池动力系统;热力学分析;综合评价;动态工况 |
| 摘要： | 随着汽车产业快速发展，化石能源消耗和污染物排放迅速增长，节能减排任务艰巨。作为一种高效清洁氢电能量转换装置，质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有启动速度快、可靠性高、无污染、效率高等特点，已逐步应用于新能源汽车产业。本文针对车载工况下燃料电池动力系统综合性能评价难题，从燃料电池系统集成角度出发，考虑系统附属设备能耗等因素，建立了车用PEMFC系统模型，研究了动态工况下附属设备能耗，分析了运行参数和系统效率的映射关系，对动力系统经济性以及环境性进行综合评价。为车用PEMFC系统研究提供了新的研究思路。具体工作如下： 首先，建立了车用质子交换膜燃料电池系统模型。系统包括 PEMFC 电堆、氢气循环泵、空压机、冷却水泵、加湿器等。探究燃料电池系统辅助设备（空气压缩机、氢气循环泵、冷却水泵、加湿器）的能耗及其与燃料电池系统性能之间的映射关系，分析动态工况下的附属设备的电损和热损情况。 其次，分析了车辆燃料电池系统在动态工况下的热力学性能。计算了动态工况下的附属设备的电损和热损以及燃料电池电力系统输出功率和系统效率，得到了系统温度、湿度等工作参数对系统热力学性能的影响。结果表明：空气压缩机能耗最高，加湿器能耗最低；高进气湿度和高运行温度有助于同时提高 PEMFC 系统的净功率输出和发电效率。在工作温度稳定为358K、阴极和阳极进气口、湿度为100%的工作条件下，该系统的热力学性能最好。最大电力功率达到22.5kW，最大发电效率和热效率分别达到46.5%和52.2%。 最后，构建了车用PEMFC系统的经济与环境评价模型，分析了PEMFC系统运行下耗氢量的变化。将系统总成本和制氢过程污染气体排放质量分别作为经济性与环境性评价指标，从瞬态响应以及长期运行两个角度对系统经济性与环境性进行评价。结果表明：增大运行电流会导致系统进气量增大以及冷却系统功率上升，增加系统运行成本。当电流从230A阶跃至300A时，系统总成本差值达1646$。系统运行2400h后的系统总成本达62616$。电流增大会导致氢气消耗量增加，制氢污染物排放量增大。在600s电流波动下，系统最大耗氢量达6.4×10-4kg。三种制氢方式中，风能制氢产生的污染物排放质量最低，其制氢过程中的NOx、CO、GHG和VOC最大瞬态排放分别为1.52×10-3g、1.28×10-3g、1.85g、1.19×10-4g。PEMFC系统功率越大，其运行过程耗氢量越大，产生的污染物排放量更大。 |
| 作者： | 贺凌轩 |
| 专业： | 工程硕士(机械工程) |
| 导师： | 陈曦;戴煜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南理工学院 |
| 学位年度： | 2022 |
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