基于液态燃料的燃料电池动力系统设计

作者：朱迅、徐昕翃、姜晓宇、刘嘉杰、刘泽瑞、马浩瑞、孙泽宇 能动系 

指导老师：韩敏芳 能动系 

关键词：液态燃料 燃料电池 联合供能 动力系统

摘要

随着雾霾天气的增多，人们越来越注重环保领域。作为雾霾产生的主要原因——化石燃料的大规模燃烧，我们开始寻找其他的处理方法来实现化石燃料的清洁利用。其中，较为成熟的一种技术是借用燃料电池中的固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）。

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

本项目基于液态燃料，如乙醇等进行汽车动力系统的设计，以期能够实现智能化和高效化运行

1.项目背景

虽然SOFC作为一种环保清洁的化石燃料利用方法，但是将其作为汽车的唯一动力源,在车辆需要加速和进行坡道行驶时，会出现由于燃料电池内部的电化学反应速度相对恒定，无法跟上突变的功率需求。所以我们选择使用市面上较为常见的锂电池作为辅助动力源，用来补齐SOFC欠缺的功率。

图 1  SOFC和混合动力源输出UI曲线

图 2 SOFC的PI曲线

图 3 电路逻辑图

2. 设计方案

2.1气路设计

对于一个汽车动力系统来说，除了我们的电路图以外，更加重要的是燃料流动的线路，所以本项目将重点放在燃料流动图，图一是一个简略的燃料流动图。

此外我们也将展示相关各处的燃料的重要参数（本次仿真我们采用乙醇进行设计）

图 4 燃料流动图

图 5 实验仿真数据图

2.2电路设计

电路作为实现电池耦合的重要部分，对于整个系统的逻辑性流畅以及电池的流畅切换至关重要。由于疫情期间无法回到学校进行具体的仿真实验，所以本部分展示的数值仅作为参考。

图 6 设计仿真电路

此外由于考虑到以后的推广到其他燃料的的应用。我们还对于系统经济性和可行性进行了系统的验证。

总的来说，我们的项目有以下几个创新点：

（1）频繁使用换热设备实现自热，保证了能量的高效利用（最终热效率74.36%）

（2）应对汽车的不同类型（如私家车、出租车等）和面临的不同路况（平地行驶、缓慢爬坡等）来改变电路工作状态

（3）燃料类型不受限制，有较强的的可推广性

图 7 经济性考究   

参考文献

[1]王 珂，陈维荣，李 奇，赵振元：《基于燃料电池的无人飞机混合动力系统设计》

[2]王克勇，石伟玉，王仁芳，刘 佳，侯中军：《车用燃料电池系统耐久性研究》

[3]万忠民，全文祥，阎瀚章，陈曦，黄泰明，张焱，孔祥忠：《无人机用燃料电池系统性能分析》

[4]孙兴智：《氢燃料电池汽车核心技术应用介绍》

[5]马秋玉，王宇鹏 ，都京，黄兴：《燃料电池发动机氢气循环设计方案综述》

[6]宋洪慧 ，李春芾， 朱 江：《智能小车直流电机驱动电路设计》

[7]卢广苗，高仕斌，冷慧玲，李 奇：《单电源燃料电池电动车的设计与控制研究》