燃料电池专业知识培训

燃料电池专业知识

第一章燃料电池原理和构成

定义：

燃料电池(Fuel Cell)

转化为电能的发电装置。

燃料氧化剂电能

PEMFC 原理

Anode

H+

Cathode

Membrane

Gas Diffusion Gas Diffusion Bipolar

构成

NREL

◆作用：电解质，传导质子，隔离反应气体

◆

强度高

◆材料：Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜；

催化层CL

(Catalyst layer)

◆

◆要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；

◆材料：Pt/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

(gas diffusion layer)

◆作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水◆

◆材料：石墨化碳纸或碳布

（Flow Plate）

◆对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate

◆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

第二章燃料电池特性和参量

◆表征参量

◆平均单节电压

◆电流密度

◆操作温度

◆反应气体压力◆运行的需求：

◆阴极氧气；

◆阳极氢气

◆膜中含水

◆饥饿

◆在反应腔内缺少气体

◆水淹

◆过大电流

◆串漏

◆双极板串漏

◆MEA串漏

◆动力学极化

◆由催化剂决定，是无法避免的电化学特性（电化学平衡）◆欧姆极化

◆线性损失由：电子传导和质子传导阻力导致；

◆即接触电阻、电阻和PEM质子传输速度；

◆传质极化

◆气体向催化剂表面扩散的速度决定；同时受排水速度影

响

第三章燃料电池系统设计

◆根据动力需求和能量匹配选择合适的燃料电池功率范围◆

◆

◆根据电堆的操作条件匹配空压机、氢气循环泵和冷却水泵◆绘制工艺流程图和电气原理图

◆制定控制策略

◆打样、试验验证

◆根据匹配车辆的条件做产品定型

◆公告测试和产品小批量试制

1、燃料电池功率选择

WZL提供的负载功率曲线

◆根据电动车的电池功率随时间的变化关系曲线

◆这组曲线用作我们混合动力模型的动力输出需求输入

◆

◆模型假设原有的蓄电池被小一点的蓄电池和燃料电池系统取代

混合系统模型

型

所有的模型参数都是可以修正的

◆蓄电池

540V恒压

90Ah容量

180A的放电电流

180A的充电电流

◆Control 控制模式

燃料电池模块的工作状态由SOC决定

当SOC降至50%时，启动电堆

当SOC提高至70%时，关闭电堆

电堆的操作电流随SOC的变化而变化

负载，电池和DCDC输出电流

燃料电池电压经过DCDC变换成540V之后，DCDC的输出最大电流约只有60A 上面图例中的峰值由蓄电池来处理，而燃料电池模块则是处理基本功率需求

蓄电池的最大和最小充电电流都在电池许可范围内

模型输出参数表

◆什么是技术路线？

为达到技术目标采取的技术手段

燃料电池电堆按照操作条件可分低压、中压和高压技术路线。

e.g. Hydrogenics、SunrisePower、Ballard、T oyota

◆综合考虑各种技术路线的优缺点

a. BOP匹配技术难度和成本

b. BOP和电堆寿命

c. 效率

◆极化性能

◆稳定性

◆一致性

◆低温性能

◆寿命

◆成本和供货周期

◆采用Ballard 9ssl135片电堆：Ballard

是不支持低温启动，9ssl电堆的最低允许环境温度2℃，低于2保温措施。

◆空压机采用Rotrex空压机，Rotrex

其性能能和电堆完美匹配，电堆的工作需求正好在空压机的只有4w，而雪人、Fisher等空压机需要15w以上。

◆氢气循环泵采用Bush的0018A型号循环泵，该循环泵性能满足

◆加湿器采用韩国Konlon H50产品，经测试，本产品满足Ballard

明确电堆操作条件

计算公式：绝缘电阻Rmin=1200ohms*Ncell

氢气需求量F(slpm)=0.00696*I*N

空气需求量F(slpm)=0.0166*I*N*空气计量比

电堆效率η=E(cell)/E(0)---E(0)=1.25V

散热量

尾排水生成量F(mlpm)=0.0056*I*N

计算结果：空气最大流量和压力→空压机

氢气最大流量和压力→比例调节阀

氢气最大回流量和压升→氢气循环泵

冷却液最大流量和压力→水泵

电堆操作温度→节温器

电堆操作湿度→加湿器

空气系统

氢气系统

冷却系统

系统流程图