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(FuelCell)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？FuelCellHydrogenOxygenWaterElectricpowerHeatPEMFC原理PEMfuelcellCathodeReactionO2+4H++4e-2H2OAirAnodeCathodee-MembraneElectrodeAssemblyGasDiffusionLayerGasDiffusionLayerH2BipolarplateBipolarplateLoadH+AnodeReaction2H24H++4e-NISTPlatinumCatalystCarbonblack构成NREL质子交换膜PEM(protonexchangemembrane)作用：电解质，传导质子，隔离反应气体要求：稳定不降解，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：NafionDow膜，复合膜，BaM3G膜；催化层CL(Catalystlayer)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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”结构气体扩散层GDL(gasdiffusionlayer)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（FlowPlate）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FC特性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FC失效特性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FC参量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FC参量—外界条件影响（温度）FC参量—外界条件影响（湿度）FC参量—外界条件影响（气体成分）FC参量—外界条件影响（气体成分）FC参量—外界条件影响（气体成分）第三章燃料电池系统设计设计思路根据动力需求和能量匹配选择合适的燃料电池功率范围根据市场情况和不同技术路线的优缺点选择合适的电堆技术路线根据燃料电池功率范围计算所需的空气流量、氢气流量和冷却液流量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设计过程：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假定这里的负载包括驱动系统、空调、散热器风扇以及其他的车载负载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参数说明混合系统模型这里所做的是一个混合系统的简化模型。如有需要可以提供更复杂和更详细的模型所有的模型参数都是可以修正的DCDC变换器：恒定转化效率假定为95%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模型输出负载，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技术路线的选择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。按照材料可分为金属板、石墨板和复合板，其中石墨板又分为雕刻和模压e.g.Hydrogenics、SunrisePower、Ballard、Toyota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.效率电堆的选择极化性能稳定性一致性低温性能寿命成本和供货周期2、技术路线确认采用Ballard9ssl135片电堆：Ballard电堆技术成熟，已经实现批量生产，价格相对便宜，性能稳定，性价比高。在云浮、佛山等城市已经小批量投入运营。缺点是不支持低温启动，9ssl电堆的最低允许环境温度2℃，低于2℃时需要采取加热保温措施。空压机采用Rotrex空压机，Rotrex空压机是容积式空压机，最高压比可达到2.94，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MAP曲线内部，不存在喘振和阻塞现象。价格相对便宜，全套空压机（包括电机和控制器）样机成本只有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45kw的流量和压力需求，终身免维护。缺点是样机成本略高，批量订单以后能大大降低成本。加湿器采用韩国KonlonH50产品，经测试，本产品满足Ballard电堆30~85kw系统的需求，而且终身免维护，价格比美国博纯的加湿器略低一些。明确电堆操作条件3、匹配计算计算公式：绝缘电阻Rmin=1200ohmsNcell氢气需求量F(slpm)=0.00696IN空气需求量F(slpm)=0.0166IN空气计量比电堆效率η=E(cell)/E(0)---E(0)=1.25V散热量Q(kw)=[E(0)-E(cell)]IN/1000---E(0)=1.25V尾排水生成量F(mlpm)=0.0056IN选型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→加湿器子系统流程空气系统氢气系统冷却系统系统流程图电气参数确认传感器位置和数量选择传感器选型传感器接线定义和采样模式电磁阀控制模式和功耗空压机、氢气循环泵和水泵的控制方式根据电气参数选择控制器的通道和功能电气原理图FCU控制器选择ECU控制器选择制定系统的操作状态功率和稳定性测试按照设计要求和国标测试方法，对系统进行性能测试和标定。测试过程中手动控制空压机、氢气循环泵、比例调节阀和水泵，参考电堆的操作条件，分别在不同的功率点标定空压机、氢气循环泵、比例调节阀和水泵的转速和开度，并经过多次重复操作以确认标定无误。手动测试完毕后，把参数写入控制器进行自动运行按照国标《GB_T24554-2009燃料电池发动机性能试验方法》要求和测试方法，自动模式下运行测试燃料电池系统各项指标性能分别测试连续100小时、连续500小时和连续1000小时性能测试，保证系统连续1000小时运行无故障外观和固定安装设计----发动机外观+悬置安装设计控制条件氢气压力-空气压力=20~30kpa反应物压力大于冷却液压力，只有在开机过程中和动态加载过程中冷却液压力可以大于反应物压力电堆入口冷却液温度控制在60±1℃电堆入口空气温度控制在65±1℃控制方法PID控制燃料电池系统是允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内参数的选择，根据FC的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。整定比例控制:将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线整定积分环节:若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤1中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数整定微分环节:若经过步骤2，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。控制策略和控制逻辑安全箱体通风设计合理设计通风风道，并在通风空气出口设置烟雾报警器和氢气浓度传感器氢气泄露检测一般会在燃料电池系统通风空气出口和氢系统最高点分别设置一个氢气浓度传感器，分辨率是ppm级别，用以检测氢气泄露，氢气的爆炸极限4.0%~75.6%，设置的报警阈值分别为1%和2%尾排氢气浓度检测尾排采取氢空混排方式，用反应后的贫氧空气稀释氢气到安全浓度范围后排入大气，设置的报警阈值分别为2%和2.5%绝缘阻值按照国标500Ω/V设计故障处理故障等级定义三级：1级为警告，1级故障时，系统可以以当前载荷急需运行，直至故障消失；2级故障需要降载，降载到一定载荷，直至故障消失；3级故障直接异常关机，关机时先切断DCDC电流，然后关闭氢气进气阀，系统直接停止运行。设计过程中需注意的细节HRB不能有液态水进入泵的入口，系统中采用分配管路分水设计HRB出气口尽量与电堆氢气进气口保持在同一个水平高度，避免生成的水倒流回HRB而影响性能冷却液管路不允许有“U”形弯系统中“Y”型过滤器滤网均为160目氢气比例调节阀和低压进气电磁阀安装减震垫，避免开启时的冲击和震动造成金属管漏气氢气和空气排气管路水平或略向下倾斜，不要有“U”形弯，有利于排水氢气进气过滤器和purge阀前端过滤器过滤规格为40μm电堆进气氢气和空气压力差不能超过50kpa冷却液进出口温差不能超过10℃软管接头尽量不要采用传统的不锈钢宝塔接头，防止硅胶管热胀冷缩后脱落冷却液管路与外壳做绝缘设计系统第一次加水或者每次换水后，先手动运行水泵，直至水压稳定关机后吹扫时间至少保持5分钟，让氢气充满氢气腔，减少氢氧界面膨胀水箱位置必须高于系统最高位置30cm以上第四章燃料电池的水热管理什么是水热管理以及水热管理的重要性定义：通过调节反应物的参数和冷却液的温度，尽量使电堆内部的温度和压力分布均匀重要性：水热管理的结果直接影响电堆的性能和寿命难点1、温度和压力分布不能实时监控2、电堆外部分配管路阻力不均匀3、电堆内部流道设计不够合理或加工误差4、电堆动态工作时条件突变的冲击和调节的滞后5、水的饱和蒸气压随温度升高变化越来越快水的形成水的流动水在阴极生成水随着质子穿过质子交换膜从阳极向阴极渗透由于浓度差的影响，水会从阴极扩散到阳极水来自于外部氢气的加湿水以水蒸气和液态水的形态随着空气排出电堆水来自于外部空气的加湿水在阴极生成，逐渐扩散到阳极每个氢离子会携带一到五个水分子从阳极渗透到阴极，可能会造成阳极过干温度高的时候造成空气过干，一般空气温度高于60℃时，空气带走电极表面的水的速率高于水生成的速率必须保持整个电堆的含水量平衡，不能过湿或过干明确概念：绝对湿度ω=mw/ma，相对湿度φ=Pw/Psat空气的干湿程度取决于水的蒸气分压饱和蒸气压：在密闭条件中，在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和蒸气压----液态水蒸发的速度等于气态水冷凝的速度水管里的方法降低运行温度----降低催化剂活性，带来更多的欧姆极化损耗降低空气流量和计量比----降低的量非常有限，空气计量比不能小于2，否则带来阴极性能衰减增加操作压力----空压机性能和功耗更高增加外部加湿装置----增加体积、重量和成本加湿量的计算mw：每秒加湿的水量，g/sPw：想要达到的湿度下的水蒸气分压，kPaP：空气压力（abs），kPama：每秒需要的干空气量，g/s燃料电池的热管理燃料电池的热管理分两部分：电堆入口空气冷却和燃料电池系统散热空气换热计算总热交换量：Q=CamaΔtm=CwmwΔtm平均对数温差：Δtm=【（T1-t2）-（T2-t1）】/ln（T1-t2）/（T2-t1）T1热介质进口温度T2热介质出口温度t1冷介质进口温度t2冷介质出口温度换热面积：F=uQ/（KΔtm）u裕度系数，1.05~1.18K导热系数，铝237W/mK散热量计算Q(kw)=[E(0)-E(cell)]IN/1000---E(0)=1.25V同空气换热计算散热风扇控制采用PID控制的实验凑试法第五章DC/DC转换器燃料电池的DC/DC电源项目要求备注输入电压范围100‐200Vdc输出电压范围320‐550Vdc/420-750Vdc额定输入电流320A控制电源电压范围9‐36V冷却水流量17L/min入水口最高温度<65℃工作环境温度‐30‐85℃储存环境温度‐40‐85℃环境相对湿度5%‐95%振动符合国标GB/T24347‐2009海拔≤4000m盐雾符合国标GB/T24347-2009DC/DC转换器的设计升压型Boost电路拓扑四个关键环节：IGBT开关状态导致电感电流流向不同元件电感电流不能突变使得电流连续变化电容电压不能突变导致的充放电过程二极管反向电压截止IGBT导通时：电感被输入电源充电电容给负载供电将四个环节联系在一起的是IGBT控制状态IGBT关断时：电感给电容充电、向电阻放电输出电压高于输入电压时，二极管能够导通原因：电感电流不能突变，如果二极管不导通，就会在电感上产生很大的电动势，从而使电感右侧电压升高IGBT关断时，又存在两种不同的状态IGBT导通时间很短，进入较长时间的关断期导通时间很短时，给电感充电时间短，电感中存储的能量少放电时间很长，电感中的大部分能量很快放完，然后电感右侧电压与电容电压基本接近，进入缓慢放电过程IGBT导通时间很长，进入较短时间的关断期导通时间很长时，给电感充电时间长，电感中存储的能量多放电时间很短，电感中的大部分能量要想放完，就必须要将输出端电压抬升，加快电感放电过程主元器件参数选择基本方程：纹波电压：电感参数：电压电流信号感测信号处理电路传感器模拟电路单片机CAN信号目标电流目标功率实测电压电流信号+-PID目标占空比PWM波形IGBT基于PID的DC/DC变换器控制第六章储氢系统氢气性质无色，无味易燃、易爆、易扩散：可燃范围4.1~75%，最小点火能量仅为0.02mJ密度低：标准状态下0.080kg/m3，比重0.07（空气比重为1）融点：-259℃，沸点：-253℃，燃点：+560℃火焰：无色，不可见可燃范围对比点火能量对比可燃范围：4~75%最小点火能量：0.02mJ最易燃浓度：29%人体弱静电火花：10mJ氢脆氢脆问题：对于氢系统，其氢脆主要是由于管路内壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。机理：高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，造成应力集中，严重时会导致表面鼓包或皱折，在钢内部形成细小的裂纹。又称白点。耐氢脆性能较好的材料：不锈钢、铝合金等。燃料电池对氢气的要求由燃料电池厂家提出具体指标要求，主要集中在对油、硫、CO、水等物质的含量限制上。目前国内外尚无专门针对燃料电池用氢的标准可参照ISO14687:1999《Hydrogenfuel-Productspecification》、GB/T3634.1-2006《氢气第一部分工业氢》、GBT7445-1995《纯氢、高纯氢和超纯氢》等。氢系统简介全称压缩气态氢系统（车载高压压缩气态氢系统）功能提供氢燃料电池客车氢燃料电池动力系统所需的洁净的氢气结构储氢模块：储存高压压缩的气氢供氢模块：将储存的氢气供给燃料电池的管阀件的组合结构加注模块：将气氢加注到储氢模块的管阀件的组合结构预警模块：监测整个氢系统高压气氢的泄漏情况检测模块：检测氢系统的温度、压力情况应用可用于燃料电池城市客车、有轨电车、城市物流车、轿车等储氢模块供氢模块加注模块控制模块检测模块氢系统的布置主要零部件选型氢气瓶目前常用的有科泰克、斯林达、京海、富瑞氢能等安全性试验安全阀高压瓶阀瓶尾阀减压阀低压安全阀主要安全措施1、过温：加注速率过大；火灾控制加注速率：加氢站控制加注速率；站车通讯方式；合理选择过滤器与单向阀，匹配系统阻尼。火灾情况：通过气瓶阀门以及尾堵上的压力释放装置（PressureReliefDevice，PRD）释放气瓶内的氢气，防止氢气瓶爆炸——必须保证全时有效！2、过压：加注时过充、减压器故障或内漏防止加注过充：加氢站控制气源压力；站车通讯方式；加注接口匹配。防止因减压器故障或内漏导致过压：在减压器之后设置压力传感器，对压力进行监控，过压时VCU发出指令切断电磁阀电源——行车有效；在减压器之后设置压力开关，过压后直接切断电磁阀电源——行车有效；在减压器之后设置安全阀（PressureReliefValve，PRV），一旦出现过压，PRV动作，释放掉气体，降低压力——全时有效。3、过流：撞击或其它意外因素导致管路断裂或松脱设置过流阀（ExcessFlowValve）——全时有效。管路和零部件安装同心度硬度管外和管内直径椭圆度无缝的或可焊接的材料种类管壁厚度Tubing管相对Pipe管的优点易于安装需要较少的连接件较低的阻力降Tubing管的操作不能把Tubing管直接从支架中拖下来正确的Tubing管安装方式避免在踏脚位置安装Tubing管避免在扶手位置安装Tubing管要有适当的Tubing管支撑Tubing管布置要适当接头拆装要方便要留有膨胀空间要留有伸缩空间Swagelok接头安装步骤管接头安装检测安全注意事项绝不允许带压操作！不能通过松开接头螺母或堵塞来释放系统压力。系统加压时，切勿进行装配和拧紧接头。初次安装后，使用专用工具确定是否充分紧固。在锥形Pipe管螺纹上，要使用合适的螺纹润滑剂和密封剂。避免把不同厂家的接头配件与本体混合使用。不能转动本体，应该夹住本体并转动螺母。感谢聆听！