燃料电池专业知识

隔离型
升压型 降压型
单向 双向
电机
电机：无刷直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。
目前电动汽车上逐渐以永磁同步直流电机为主： 体积小，功率密度大 效率高 功率因素高 启动力矩大 温升低
直流电
电机控制器
电机
机械能
动力电池
从正极材料来看有：锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等。 作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
增程器
电能
电机
机械能
动力电池
150~200公里
整车控制系统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制器
驱动 电机
驱动桥
储氢供氢系统
车辆附件总成 燃料电池附件
DCDC
DC：直流电，direct current AC：交流电，Alternating current DCDC：直流到直流变换器，主要是将某个直流电压转化至另一个直流电压。 解决两个设备电压不匹配的问题。
一、燃料电池专业知识
第一章 燃料电池原理和构成
什么是燃料电池
定义： 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接 转化为电能的发电装置。
燃料
氧化剂
电能
其他？
Hydrogen Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power Water
PEMFC 原理
电动汽车
电池
电能
电机
机械能
燃料电池发动机
燃料电池汽 车
电能
电机
机械能
动力电池
燃料电池汽车：认为是电动汽车的一种。 纯电动汽车：由可充电电池作为动力源。可以是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或 锂离子电池。
纯电动汽车
蓄电池
电能
电机
机械能
增程式电动车
增程式的含义：有一个增程器，作为辅助动力装置使用（APU： Auxiliary Power Unit）

一般应用于大功率发动机，电站等
空冷使全系统设计简化； 往往供氧和冷却一步完成； 相对功耗更低； 一般应用于无人机，充电器等

系统流程
第三章 车用燃料电池系统介绍
传统汽车
内燃机
机械能
机械传动
机械能
内燃机车：以内燃机（汽油机或柴油机）作为动力源。 电动汽车：以电能作为动力源，用电机驱动车轮。 混合动力汽车：一般指油电混合动力汽车，采用内燃机和电机作为动力源。
NIST
Anode Reaction
Cathode Reaction
2H2 4H+ + 4e-
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
激态A 激态B
Energy
稳定1
稳定2
构成
NREL
质子交换膜PEM(proton exchange membrane)


作用：电解质，传导质子，隔离反应气体
储氢系统
氢瓶：金属内胆，碳纤维缠绕，3型气瓶。 国内压力：国标允许35MPa。 国际：塑料内胆，碳纤维缠绕，4型气瓶。 国际压力：一般都在70MPa。
氢瓶 35/70MPa
减压器
0.5-2MPa左 右
氢气传输管路 燃料电池发 动机 减压器 进入电堆内部 （kPa级）
第四章 巴拉德9ssl电堆
Fuel cell stack orientation
作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金
第二章 燃料电池系统集成
HD6 ballard
新源动力
FlΒιβλιοθήκη Baiduw Cath
Intellagent energy
GM FC
US fuelcell
BMW，5 GT
丰田

汽车企业所集成的燃料电池发动机，更像“发动机”
气体扩散层GDL (gas diffusion layer)


作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水
要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
流场板FP （Flow Plate）


对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate
Gas and fluid compatibility
Operation Conditions
Fuel cell stack performance
Fuel cell stack operating limits

集成程度更高； 线束规范；车用方式； 整体模具设计成型思路；


多功能，模块化；
原车用零部件直接用于BOP，或改进后用于BOP

电堆与BOP之间的契合度更高；

电堆水热管理与BOP元件交互更多； 以电堆为核心的BOP元件定制化强化。
水冷与空冷

水冷系统往往为大功率（>5KW）的电堆而准备； 所携带的热能更大，可以使电堆设计更紧凑； 温度在双极板的面分布上更一致； 相对于外界独立；
PEM fuel cell H2
Carbon black
Load
e-
Platinum Catalyst
Air
Anode
H+
Cathode Bipolar Gas Diffusion Layer plate Membrane Electrode Assembly Gas Diffusion Bipolar Layer plate
要求：稳定不讲解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小， 强度高 材料： Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜；

催化层CL (Catalyst layer)


作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；
要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大； 材料：Pt/C,Pt-Ru/C 载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须 最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术; 催化剂最先进的是“壳核”结构