燃料電池-蓄電池混合電源系統低溫啟動建模（簡體書）

車用質子交換膜燃料電池經過數十年的發展，已經取得了長足的前言進步，中國燃料電池汽車技術路線圖提出2020年中國燃料電池汽車保有量達到1萬輛，2025年達到10萬輛，2030年達到100萬輛，2020年保有量計畫已經實現，燃料電池汽車商業化已經成為必然趨勢。然而燃料電池汽車的大規模商業化仍然面臨許多挑戰，其中一個關鍵問題就是燃料電池的低溫啟動性能不能完全滿足汽車複雜的使用環境需求。

質子交換膜燃料電池的正常運行需要不斷地從流道向催化層供應燃料進行化學反應，在對外放電的同時生成水，在低溫環境下，生成的水會結冰從而堵塞催化層和氣體擴散層，進而導致燃料電池啟動失敗。為了實現燃料電池的低溫啟動，中外研究人員進行了大量的相關研究，建立了若幹不同維度的燃料電池機理模型和經驗模型，對影響燃料電池啟動的因素進行了分析，並提出了相應的燃料電池的冷開機控制策略，其中主要分為:輔助加熱、自啟動、吹掃、保溫等控制策略。目前國內燃料電池冷開機性能與國際先進水準仍存在一定的差距，但是在國內研究人員和工程師的不懈努力下，兩者的差距正在逐步縮小。

本書中筆者以通俗易懂的語言、形象的圖解闡述了燃料電池系統建模和模擬的原理與基本方法。筆者主要以燃料電池系統的建模過程為主要線索，向讀者詳細介紹了燃料電池系統中關鍵部件的原理與建模方法，重點分析了燃料電池低溫啟動的現象、原理以及建模方式，將基本的原理融入建模過程中，加深讀者的印象，提升讀者的感性認識和認知水準。基於建立的燃料電池系統，本書還對燃料電池冷開機過程進行了模擬和分析，進一步加深了讀者對燃料電池冷開機過程的理解。

全書共分為7章。第1章介紹了燃料電池冷開機研究現狀，重點對相關的建模和水熱分佈研究進行了綜述，讓讀者可以瞭解燃料電池冷開機現狀並為之後的相關建模提供必要基礎。第2章介紹了燃料電池系統的組成及結構，為了使建立的系統模型能夠適應冷開機控制策略，對現有的通用燃料電池系統進行了修改，並引入蓄電池中建立了蓄電池-燃料電池混合系統結構，基於建立的混合系統結構提出了本書的系統模型架構，為讀者清晰展示了本書的結構和脈絡，方便讀者的閱讀和理解。第3章介紹了蓄電池-燃料電池混合系統的供氣系統和冷卻系統中關鍵部件的原理及建模方法，為之後燃料電池的建模提供了必要的輸入和輸出接口。第4章基於蓄電池低溫試驗資料，建立了能夠反映蓄電池低溫輸出和輸入性能的模型。第5章介紹了燃料電池冷開機過程中的水傳輸現象並對其進行建模，通過模型反映了結冰對燃料電池電壓輸出性能的影響。第6章介紹了燃料電池單體溫度分層模型，根據燃料電池的真實結構將其溫度模型進行分層，考慮不同部件之間的傳熱，能夠更加真實和準確地反映燃料電池單體中的溫度分佈，進而能夠更加準確地模擬燃料電池的性能輸出。第7章介紹了燃料電池電堆的溫度分層模型，基於第6章建立的單體溫度模型，進一步考慮了單體之間的傳熱和端板對電堆兩端接觸單體的影響。

本書由同濟大學宋珂、魏斌編寫。全書由宋珂統稿和審閱。

本書適合具有一定燃料電池基礎知識的讀者閱讀，可作為高等院校本科生、研究生學習燃料電池建模尤其是燃料電池冷開機建模的參考書，也可以作為燃料電池汽車相關工程師學習參考的資料。

本書內容經過相關專家的審閱，筆者在此表示由衷的感謝。由於能力有限，書中紕漏在所難免，歡迎讀者朋友提出建議或訂正錯誤。

編者

第1章　引言001
1．1　概述002
1．2　燃料電池冷開機常用策略005
1．3　燃料電池低溫水熱分佈008
1．4　燃料電池低溫模型簡介011
1．5　蓄電池低溫模型介紹016

第2章　燃料電池-蓄電池混合系統結構019
2．1　燃料電池結構與性能020
2．1．1　燃料電池結構與工作原理020
2．1．2　燃料電池輸出性能023
2．2　燃料電池系統結構026
2．2．1　通用燃料電池系統結構026
2．2．2　適用於冷開機的燃料電池系統結構029
2．3　燃料電池-蓄電池混合系統模型架構032
2．4　本章小結037

第3章　供氣系統和冷卻系統關鍵部件熱力學模型039
3．1　供氣系統熱力學模型040
3．1．1　空氣壓縮機040
3．1．2　氣體供應管道042
3．1．3　空氣冷卻器043
3．1．4　增濕器044
3．2　冷卻系統熱力學模型045
3．2．1　空氣冷卻器溫度模型045
3．2．2　氫氣熱交換器046
3．2．3　節溫器048
3．2．4　散熱器049
3．2．5　冷卻液迴圈泵050
3．3　本章小結050

第4章　蓄電池低溫模型053
4．1　蓄電池低溫性能試驗054
4．1．1　充電電壓055
4．1．2　放電電壓056
4．1．3　充電容量057
4．1．4　放電容量058
4．1．5　低溫內阻059
4．2　低溫蓄電池Rint模型062
4．3　蓄電池溫度計算模型067
4．4　蓄電池SOC計算069
4．5　低溫蓄電池模擬模型073
4．6　本章小結075

第5章　燃料電池低溫性能模型077
5．1　低溫燃料電池水傳輸現象建模078
5．1．1　陰極水平衡模型078
5．1．2　膜水合模型083
5．2　氣體流量模型085
5．2．1　陽極氣體流量模型085
5．2．2　陰極氣體流量模型088
5．3　燃料電池輸出電壓模型090
5．3．1　燃料電池理想電動勢091
5．3．2　活化過電勢093
5．3．3　濃差過電勢094
5．3．4　歐姆過電勢095
5．4　本章小結096

第6章　燃料電池單體溫度分層模型099
6．1　燃料電池溫度分層假設100
6．1．1　MEA內部溫度分佈均勻假設100
6．1．2　雙極板溫度分層假設104
6．2　燃料電池溫度分層建模106
6．2．1　膜電極溫度模型107
6．2．2　氣體擴散層溫度模型112
6．2．3　氣體流道層溫度模型115
6．2．4　雙極板溫度模型117
6．2．5　冷卻液流道層溫度模型120
6．2．6　單體溫度分佈模擬模型122
6．3　燃料電池單體低溫模擬模型與驗證124
6．3．1　燃料電池單體低溫模擬模型124
6．3．2　253．15K啟動模擬與驗證124
6．3．3　270．15K啟動模擬與驗證130
6．4　本章小結132

第7章　燃料電池電堆溫度分層模型135
7．1　燃料電池電堆溫度分層建模136
7．1．1　燃料電池電堆溫度分層模型結構136
7．1．2　接觸端板的單體傳熱139
7．1．3　電堆單體間傳熱142
7．2　燃料電池電堆模擬模型與驗證146
7．3　本章小結151

參考文獻153