燃料电池复习资料

2006 试题

1.缺气对燃料电池有什么危害？（10分）

缺气：无法正常工作；无法移走反应生成的水，造成燃料电池过热；有可能会增加膜电极两侧的压力差，导致气体通过膜进行扩散，氢氧混合造成危险~~

2.如何用温度调节法解决燃料电池内缺水或水过剩的问题？(10分)

缺水：降低温度

水淹：升高温度

3.为什么在设计过程中FC压力降不能过高也不能过低?(10分)

太低，不能移走水；太高，压降损失大。主流道压力降<< 流场压力降

4.分析工作温度对燃料电池输出性能的影响。(10分)

当电池加热温度低于加湿温度时, 随着电池加热温度的升高, PEM 燃料电池的性能也在提高. 当电池加热温度高于加湿温度时, 升高电池的加热温度反而会降低PEM 燃料电池的性能。

低温时，燃料电池的性能主要受到电化学反应速度的控制, 升高电池的温度会加快电化学反应的速度, 提高交换电流密度,使电池的性能得到提高. 同时燃料电池温度的升高可以加速应物和生成物在电池中的传递, 也有利于提高PEM 燃料电池的性能。高温时，PEM 燃料电池的性能主要受到质子膜及膜成分阻抗控制. 这时, 质子膜和膜成分因电池温度过高而出现脱水现象, 质子膜和膜成分中的质子传导率降低, 阻抗增大, 降低了PEM 燃料电池的性能。

（湿度：当氢气湿度低时,氢气携带的水分少,扩散进入阳极催化剂层中的水分就更少,这样使质子膜在阳极侧的水分减少,阻抗增大,质子膜的阻抗控制着燃料电池的性能.随着氢气湿度的升高,携带的水分增加,膜阳极侧的阻抗降低,燃料电池的性能得到提高.而当氢气湿度太高时,氢气携带的水分大大超过了质子在质子膜中迁移时需要的水分,此时会在电极多孔介质中出现过多的液态水,阻碍了气体的扩散,浓差极化控制着电池的性能,这种情况当电流密度较大时表现最为明显.）

5.如何精确控制不饱和湿度？(10分)

2007 试题

1.请画出由两片燃料电池组装的电池堆结构示意图，要求标注各部件的名称；并以此电池

堆外接负载为例，描述电子和质子的移动起点和终点。（20分）

课件2.3第二页

2.请分析燃料电池双极板中空气、氢气和水在各种流动方向（同向或逆向）布置情况下对

MEA的影响。(20分)

✓逆流方式有利于降低出口温度

✓不论哪种流动形式,阳极表面和阴极表面的温度都是沿气流方向逐渐升高,在出口处温度达到最高.但是逆流流动形式的出口温度不论是阳极表面还是阴极表面在同等入口参数和边界条件下要低于顺流和叉流的出口温度.因此为了避免温度过高造成电极材料的腐蚀,应该选择逆流的流动形式

3.为什么要避免燃料电池的缺气现象？(10分)

缺气：无法正常工作；无法移走反应生成的水，造成燃料电池过热；有可能会增加膜电极两侧的压力差，导致气体通过膜进行扩散，氢氧混合造成危险~~

4.试设计一种燃料电池发电系统，要求画出系统框图，并简述设计方案的优缺点。（20分）

5.简述燃料电池在车上应用的优势，并论述车用燃料电池的发展方向。（20分）

优势：

✓节能、转换效率高、不需要石油燃料——除用汽油重整产生氢气外，其他（甲醇、碳氢化合物等）燃料基本不用石油燃料。燃料电池在额定功率下的效率可以达到60％，而在部分功率输出条件下运转效率可以达到70％，在过载功率输出条件下运转效率可以达到50～55％。高效率随功率变化的范围很宽，在低功率下运转下率高，特别适合于汽车动力性能的要求。

✓排放达到零污染

✓结构简单、运行平稳结构件大多数为板状和管件，没有运动零部件和各种摩擦副，没有因零部件磨损引起的故障，维修、保养方便。

✓燃料电池发动机在运行过程中，噪声小、振动小、散热系统比内燃机简单得多、热管理系统也更加简单；产出物不需要进行净化和消声处理，整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理。

发展方向：

✓高温高压GDL催化剂

6. 如何使燃料电池发动机在工作过程中改变功率输出？请说明在变载过程中调节空气流

量的意义。（10）

质子交换膜燃料电池输出电压随负载变化而变化，不用调节，但由于供气量改变要调整空气量，此时辅助系统消耗的功率也有所改变，因此应该改变辅助系统的功率.

燃料电池的燃料H2是由高压源自动供给，其输出功率的调节是伴随负载的需求自动进行的，即负载需要多少功率，只要在发动机许可的范围内，燃料电池就输出多少功率。

内燃机的输出功率是由驾驶员来控制的，通过加速踏板控制进气量或者喷油量进而控制内燃机输出功率的大小。

2008 试题

1.燃料电池一般应工作在什么电压范围？为什么？（10分）

2.在燃料电池出现水淹趋势时，应如何调节电池堆温度？为什么？(10分)

提高电池堆温度——加大排水

为什么有的燃料电池在快速加载过程中可测到阳极有CO2排放？(10分)

CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。

4.使用99.99%的氢气，但为什么许多燃料电池氢气侧还要定期排气？（10分）

6.车用燃料电池寿命衰减的主要原因有哪些（至少列举4种）？如何提高车用燃料电池

寿命？（10分）

原因

✓机械破坏（破裂，撕裂，刺孔，小孔/水泡，外来颗粒造成穿孔，湿度不足，压力不均，催化剂渗膜）

✓工作故障（水淹，膜脱水，细胞逆转，高温，喘振，漏电）

✓膜电极退化（膜退化，凝聚，催化剂冲刷，污染，阴/阳极腐蚀，储存流失，冻结/解冻退化）

✓密封老化

✓双极板泄露

措施

✓材料，催化剂，膜的耐久性

✓固定电源（使用模式）

✓环境（空气质量）

7.为什么PEM燃料电池使用脱离子水？冬季怎么办？（10分）

8.常温PEM燃料电池发动机上，有什么办法可能实现空气不必预增湿？（10分）

10.请对下图试验结果进行解释和分析。（10分）

其他

燃料电池的缺点

1) 燃料种类单一2) 要求高质量的密封3) 比功率还要进一步提高4) 造价太高5) 需要配备辅助电池系统

FC性能曲线分析，说明现象规律

经过上述实验可以得到如下结论：在一定的条件下，温度（氢气、空气、水温度相同）对燃料电池性能的影响存在一个最佳值，一定的变化范围内，空气过量系数的增大对燃料电池性能有改善作用，这种改善的程度与电流的大小有一定的相关性。