质子交换膜燃料电池氢循环系统氢气流速动态建模与优化研究

本文聚焦质子交换膜燃料电池(PEMFC)氢循环系统(HRS)的动态建模，创新性地建立了基于集总参数的泵驱动(RPDHRS)与引射器驱动(EDHRS)系统的传递函数模型，揭示了压力-流量耦合机制，并通过Nyquist图分析系统动态特性。研究首次提出引射器系统的"偏移一阶系统"行为特征，实验验证了 purge阀动作对氢气流速的增强效应，为提升氢能利用率(>120kW系统验证)提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过构建质子交换膜燃料电池(PEMFC)氢循环系统(HRS)的动态模型，揭示了氢气流速与系统压力参数的动态耦合机制。创新点在于：1）首次将引射器(EDHRS)特性曲线与传递函数结合，发现其表现为"偏移一阶系统"；2）实验证实purge阀开启可通过改变引射器工作点提升氢气流速；3）建立的气体阻抗模型成功预测了120kW系统中压力-流量的频率响应特性。

Section snippets

集总参数动态模型

采用零维建模方法，忽略空间参数分布，重点刻画泵/引射器进出口压力与氢气流量的动态关系。泵驱动系统(RPDHRS)遵循经典惯性系统规律，而引射器系统(EDHRS)因主/次流耦合呈现独特的非线性特征，其动态方程包含气体状态方程与质量守恒定律的联立求解。

模型分析

Nyquist图显示：泵驱动系统表现为标准一/二阶惯性系统（半圆轨迹），而引射器系统形成包含原点的圆形轨迹——该半径与引射器出口流量呈正相关。类比分析法证明，purge阀开启虽降低回流压力，但通过移动引射器工作点至高效区，最终提升净氢气流速>15%。

实验验证

采用纯氮气实验规避氢气风险，高频压力传感器捕捉到引射器动态响应。数据表明：1）压力波动频率与模型预测误差<8%；2）圆形Nyquist轨迹半径与理论值偏差仅5.2%；3）120kW系统实测证实purge阀动作可使氢流量瞬时提升22%，完美验证"工作点迁移"理论。

Conclusion

本研究建立的动态模型成功破解了氢循环系统"黑箱"难题：1）泵驱动系统传递函数为G(s)=K/(Ts+1)；2）引射器系统需采用分段线性化处理；3）气体阻抗法可精准量化压力-流量频响特性。这些发现为燃料电池系统智能控制策略开发奠定了理论基础。