首頁 > 行業(yè)資訊 > 燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

時(shí)間：2023-02-10 來源：瀏覽：

燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

3060

3060

微信號(hào) gh_d21885a3f461

功能介紹傳播國家2030年碳達(dá)峰/2060年碳中和的政策、知識(shí)、技術(shù)與優(yōu)良做法

收錄于合集

#燃料電池 48 個(gè)

#交通 14 個(gè)

內(nèi)容來源: 騰訊網(wǎng) 汽車大漫談

正文開始

CCTC? 3060

1 前言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車保有量的飛速增長，全球石油資源遞減和環(huán)境污染等問題卻日益突出。世界各國政府開始投入大量的人力、物力、財(cái)力競相研制和開發(fā)旨在以節(jié)能、環(huán)保為終極目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等新能源汽車。電動(dòng)汽車作為一種節(jié)能、無污染的理想“零排放”汽車，理所當(dāng)然地受到了廣泛的關(guān)注與重視，并在今后汽車工業(yè)的發(fā)展中占有越來越重要的地位。

CCTC? 3060

2 燃料電池的定義

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運(yùn)行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實(shí)際運(yùn)行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個(gè)裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達(dá)80%以上。

此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置。

CCTC? 3060

3 燃料電池的分類

目前，有5種已知的燃料電池類型，其名稱與采用的相應(yīng)的電解質(zhì)有關(guān)。

3.1 堿性染料電池（AFC）

堿性燃料電池采用氫氧化鉀溶液作為電解液。

這種電解液效率很高（可達(dá)60一90％），但對影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感，因而運(yùn)行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點(diǎn)限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國際工程等領(lǐng)域。

3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

質(zhì)子交換膜燃料電池采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動(dòng)裝置的理想材料。

3.3 磷酸燃料電池（PAFC）

磷酸燃料電池采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)。很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

3.4 熔融碳酸燃料電池（MCFC）

熔融碳酸燃料電池的工作溫度可達(dá)650℃。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。

3.5 固態(tài)氧燃料電池（SOFC）

固態(tài)氧燃料電池采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物），性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料和過程處理技術(shù)，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳒囟燃s為1000℃。

CCTC? 3060

4 優(yōu)劣比較

燃料電池在實(shí)際運(yùn)用中為我們帶來許多的便利但是同時(shí)也有很多地方等待我們進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

1）節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、不需要石油燃料

A. 除用汽油重整產(chǎn)生氫氣外，其他（甲醇、碳?xì)浠衔锏龋┤剂匣静挥檬腿剂稀?/span>

由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到車輪的綜合效率，內(nèi)燃機(jī)汽車為11％左右。以氫氣為燃料的FCEV實(shí)際效率達(dá)到50％～70％；用甲醇為燃料，經(jīng)過重整產(chǎn)生氫氣FCEV，實(shí)際效率達(dá)到34％?？梢?，F(xiàn)CEV的實(shí)際效率大大高于內(nèi)燃機(jī)汽車。

B. 內(nèi)燃機(jī)在額定功率附近才有最高效率，而在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，效率迅速降低。

燃料電池在額定功率下的效率可以達(dá)到60％，而在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到70％，在過載功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到50～55％。高效率隨功率變化的范圍很寬，在低功率下運(yùn)轉(zhuǎn)下率高，特別適合于汽車動(dòng)力性能的要求。

C. 內(nèi)燃機(jī)過載能力低，在過載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易"熄火"。

燃料電池短時(shí)間的過載能力，可以達(dá)到額定功率的200％，非常適合汽車在加速和爬坡時(shí)動(dòng)力性能的特征。

綜上幾點(diǎn)，燃料電池的節(jié)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)燃機(jī)，而且穩(wěn)定性和可靠性高于內(nèi)燃機(jī)。

2）排放達(dá)到零污染

內(nèi)燃機(jī)排放廢氣中的有害氣體，對環(huán)境造成的污染是內(nèi)燃機(jī)汽車的致命缺點(diǎn)，盡管采取了各種各樣的機(jī)內(nèi)和機(jī)外的技術(shù)措施，只能是達(dá)到“低污染”的水平，由于內(nèi)燃機(jī)汽車的數(shù)量龐大，即使是"低污染"也給地球環(huán)境帶來巨大影響。用氫氣作為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要生成物質(zhì)為水，屬于"零污染"。

用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂系娜剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)主要生成物質(zhì)為水、二氧化碳和一氧化碳等，屬于"超低污染"。出于對地球環(huán)境保護(hù)的要求和謀求新的能源，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是比較理想的動(dòng)力裝置，并有可能逐漸取代石油作為車輛的主要能源。

3）車輛性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車

內(nèi)燃機(jī)的比功率約為300W/kg，目前燃料電池本體的比功率為700W/kg，功率密度1000W/L。如果包括燃料電池的重整器、凈化器和附屬裝置在內(nèi)，比功率為300～350 W/kg，功率密度280W/L。在能量方面燃料電池與內(nèi)燃機(jī)相接近，因此其動(dòng)力性能可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。

4）結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換是在靜態(tài)下完成，結(jié)構(gòu)件構(gòu)造簡單。加工精度要求比內(nèi)燃機(jī)低得多。

特別是質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高，能夠在80℃的低溫條件下起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)件的耐熱性能要求也不高。結(jié)構(gòu)件大多數(shù)為板狀和管件，沒有運(yùn)動(dòng)零部件和各種摩擦副，沒有因零部件磨損引起的故障，維修、保養(yǎng)方便。

且燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由多個(gè)單體燃料電池串聯(lián)組成，可以配置成各種不同規(guī)格的系列燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)組，可以裝配在不同用途和不同型號(hào)的車輛上。在車輛上可以根據(jù)車輛的軸荷分配車輛有效空間的利用等具體情況，靈活、機(jī)動(dòng)地進(jìn)行總布置。

另外燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，噪聲小、振動(dòng)小、散熱系統(tǒng)比內(nèi)燃機(jī)簡單得多、熱管理系統(tǒng)也更加簡單；產(chǎn)出物不需要進(jìn)行凈化和消聲處理，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)管理。

4.2 燃料電池的缺點(diǎn)

燃料電池作為一種先進(jìn)的能源，有著明顯的優(yōu)勢，但在我們現(xiàn)今的應(yīng)用中仍有許多不足之處：

1）燃料種類單一

目前，不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫、儲(chǔ)氫金屬儲(chǔ)存的氫，還有碳水化合物經(jīng)過重整后轉(zhuǎn)換的氫是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、保管、運(yùn)輸和灌裝或重整，都比較復(fù)雜，對安全性要求很高。但燃料種類的單一性，可以建立標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的供給系統(tǒng)。

2）要求高質(zhì)量的密封

燃料電池的單體電池所能產(chǎn)生的電壓約為1V，不同種類的燃料電池的單體電池所能產(chǎn)生的電壓略有不同。通常將多個(gè)單體電池按使用電壓和電流的要求組合成為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)組，在組合時(shí)，單體電池間的電極連接時(shí)，必須要有嚴(yán)格的密封，因?yàn)槊芊獠涣嫉娜剂想姵刂袣錃鈺?huì)泄漏到燃料電池的外面，降低氫的利用率并嚴(yán)重影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，還會(huì)引起氫氣燃燒事故。

由于要求嚴(yán)格的密封，使得燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝很復(fù)雜，并給使用和維護(hù)帶來很多困難。

3）比功率還要進(jìn)一步提高

內(nèi)燃機(jī)的比功率約為300W/kg，以氫為燃料的燃料電池比功率約為300～350W/kg，功率密度為280W/L。甲醇經(jīng)過重整產(chǎn)生的氫為燃料的燃料電池綜合功率密度（包括重整器質(zhì)量）降低到220W/L。為了滿足FCEV動(dòng)力性能的要求，需要進(jìn)一步提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率。

4）造價(jià)太高

目前質(zhì)子交換膜燃料電池是最有發(fā)展前途的燃料電池之一，但質(zhì)子交換膜燃料電池需要用貴金屬鉑（Pt）作為催化劑，其使用量要求達(dá)到0.1～0.2mg/cm^3，目前用量要求達(dá)到0.5mg/cm^3，距離要求還較遠(yuǎn)。而且鉑（Pt）在反應(yīng)過程中受CO的作用會(huì)"中毒"而失效。鉑（Pt）的使用和鉑（Pt）的失效使質(zhì)子交換膜燃料電池的造價(jià)持高不下。

5）需要配備輔助電池系統(tǒng)

燃料電池可以持續(xù)發(fā)電，但不能充電和回收FCEV再生制動(dòng)的反饋能量。通常在FCEV上還要增加輔助電池，來儲(chǔ)存燃料電池富裕的電能和在FCEV減速時(shí)接受再生制動(dòng)時(shí)的能量。

燃料電池將是未來電池的發(fā)展方向，我們現(xiàn)在仍需加大燃料電池的研究力度，開發(fā)出更高效的燃料電池，同時(shí)克服現(xiàn)在存在的問題，推進(jìn)燃料電池的普及，讓它能更好的為人民服務(wù)。

CCTC? 3060

5 燃料電池實(shí)例

這里我們以光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)作為實(shí)例。

光伏電池輸入輸出特性可以由它的伏安特性確定。光伏電池的伏安特性是指在某一確定的光照強(qiáng)度和溫度下，它的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)，對于給定光照強(qiáng)度和溫度的光伏電池，它的輸出電壓和電流可利用標(biāo)準(zhǔn)條件下的光伏電池伏安特性模型，采用光照強(qiáng)度和溫度等參數(shù)進(jìn)行修正的方法得到。

標(biāo)準(zhǔn)條件（光照強(qiáng)度1kW/m^2，工作溫度25℃）下的光伏電池的輸出電壓VSTC 和電流 ISTC 的關(guān)系可以表示為:

其中：

系數(shù)K1=0.01175；

系數(shù)K4=ln(1/K1+1)；

ISTC——標(biāo)準(zhǔn)條件下的電池電流；

ISC——電池的短路電流；

Impp——代表最大功率下的電池電流；

VSTC——標(biāo)準(zhǔn)條件下的電池電壓；

Voc——電池開路電壓；

Vmpp——最大功率下的電池電壓。

對任意給定光照強(qiáng)度和溫度條件下，光伏電池的輸出電壓Vcell 和電Icell可以表示為：

其中:

αscT——電池短路電流溫度系數(shù)(Amps/℃)；

βocT——電池開路電壓溫度系數(shù)；

NOCT——標(biāo)準(zhǔn)測試溫度；

ΔTc——補(bǔ)償溫度；

Ta——電池給定溫度；

Ta,ref——標(biāo)準(zhǔn)溫度；

Rs——模塊等效串聯(lián)電阻；

G——給定的光照強(qiáng)度；

GSTC——標(biāo)準(zhǔn)測試的光照強(qiáng)度。

根據(jù)光照、環(huán)境溫度和負(fù)載就可以使用光伏電池的伏安特性模型確定光伏電池的輸出功率，也可以計(jì)算出光伏電池的最大功率輸出，這樣就為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真提供了基礎(chǔ)。

CCTC? 3060

6 燃料電池的冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)作為燃料電池的一部分擔(dān)任著十分重要的功能，現(xiàn)在就讓我們來了解一下燃料電池的冷卻系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)。

6.1 冷卻系統(tǒng)工作原理

冷卻系統(tǒng)由2套冷卻裝置組成，分別冷卻2套燃料模塊，冗余性較好。其工作原理如下圖所示。燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，燃料電池出口的高溫冷卻液與通過散熱器的環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換后，再流回燃料電池模塊。同時(shí),冷卻風(fēng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)境空氣冷卻通過散熱器的冷卻液，然后排向車體頂部。

6.2 技術(shù)要求

在規(guī)定的燃料電池有軌電車車頂安裝空間(長

6.3 總布置方案

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的散熱要求、車體空間布置、散熱器與風(fēng)扇性能匹配等情況，初步確定了5種總體布置方案，如下表所示。5種布置方案均采用2臺(tái)散熱器分別冷卻2套燃料電池模塊，主要區(qū)別在于風(fēng)機(jī)數(shù)量及其布置方式不同。

經(jīng)綜合考慮，確定采用方案5。冷卻裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖所示。

冷卻裝置主要由散熱器、風(fēng)機(jī)、膨脹水箱、箱體、電連接器和減振器等組成，通過4個(gè)安裝座加減振器后安裝在有軌電車頂部。冷卻裝置頂部布置頂防護(hù)網(wǎng)以防大顆粒異物對風(fēng)扇造成損傷，底部設(shè)置排水設(shè)施，兩端分別設(shè)置膨脹水箱和電連接器。冷卻裝置內(nèi)部分布4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，每2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)冷卻1臺(tái)散熱器，采用吸風(fēng)式冷卻。

由于結(jié)構(gòu)過于緊湊，后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相關(guān)降噪措施。

6.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

鑒于燃料電池散熱量大，而冷卻水溫度與外界空間溫差較小，不利于散熱，以及輔助功率、噪聲、質(zhì)量限制等問題,箱體采用鋁合金材料制作，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行深入研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）散熱器

A.總體結(jié)構(gòu)方案

散熱器采用鋁制板翅式結(jié)構(gòu)，以最大限度減重。本文根據(jù)最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能流量等因素進(jìn)行散熱器翅片優(yōu)選。

在本氣—液散熱器中，熱邊介質(zhì)是乙二醇水溶液，其傳熱系數(shù)較大，可選用低而厚的鋸齒形翅片，以保證較高的翅片效率；散熱器冷邊采用空氣作為介質(zhì)，其傳熱系數(shù)較小，可選用高而薄的鋸齒形或百葉窗式翅片，以增加傳熱面積、加強(qiáng)流體擾動(dòng)，進(jìn)而提高換熱效率。冷熱兩側(cè)翅片結(jié)構(gòu)如圖所示。其中P為翅片間距，δf為翅片厚度，S為翅片高度，δp為基板厚度。散熱器芯體為叉流單流程結(jié)構(gòu)，采用熱側(cè)單流程，冷側(cè)單流程。

B.散熱器性能計(jì)算

根據(jù)給定的運(yùn)行條件和性能指標(biāo),經(jīng)過迭代計(jì)算,得到散熱器芯體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表所示。

C.翅片優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)有產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮傳熱、通風(fēng)、噪聲等多方面因素，初步確定了2種散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，如下圖所示。

在外溫為42℃，冷卻液出口溫度約63℃條件下，分別測試?yán)鋫?cè)為鋸齒形翅片和百葉窗翅片的散熱器試驗(yàn)件的氣側(cè)傳熱系數(shù)、空氣壓力損失與空氣質(zhì)量流速的變化關(guān)系。

兩種翅片在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)的性能對比見下表，在相同空氣流速時(shí)，鋸齒形翅片的傳熱系數(shù)略高于百葉窗翅片，空氣壓力損失遠(yuǎn)低于百葉窗翅片，更適宜作為冷側(cè)翅片。

D.納米涂料傳熱增強(qiáng)試驗(yàn)

對散熱器進(jìn)行了某型納米涂料噴涂前后傳熱能力影響的對比試驗(yàn)。在相同空氣流速時(shí),噴涂納米涂料的散熱器氣側(cè)傳熱系數(shù)高于噴涂前約6%，流阻基本沒有變化，可在后續(xù)樣機(jī)研制中采用。

2）冷卻風(fēng)機(jī)

A.總體結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)機(jī)采用可獨(dú)立拆卸吊裝結(jié)構(gòu)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見下表。

冷卻風(fēng)機(jī)主要由軸流風(fēng)扇、變頻電機(jī)、風(fēng)機(jī)安裝座等組成。軸流風(fēng)扇直徑為560mm,頂部安裝防雨整流罩。

B.軸流風(fēng)扇選型及試驗(yàn)對比

在冷卻系統(tǒng)樣機(jī)中針對風(fēng)扇1和風(fēng)扇2進(jìn)行了對比測試，結(jié)果如下表所示。在相同轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)扇2比風(fēng)扇1風(fēng)量略高，在1m處噪聲低約1~2dB(A)，3m處噪聲低約1~3dB(A)，故最終選用風(fēng)扇2。

3）冷卻系統(tǒng)膨脹水箱

初步方案中膨脹水箱主要由水箱本體、壓力釋放閥(0.02~0.04MPa)、液位計(jì)液位開關(guān)、水箱排水閥等零部件組成，水箱本體上設(shè)有排氣口、補(bǔ)水口等。

由于試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了燃料電池內(nèi)空氣很難排凈的問題,后續(xù)進(jìn)行了膨脹水箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：將其由壓力水箱改為無壓水箱，由空氣濾清器替代壓力釋放閥。進(jìn)行優(yōu)化后，再次試驗(yàn)的結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)方案滿足排氣要求。