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质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用.doc

质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用

熊推孜
2019-01-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用doc》,可适用于工程科技领域

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质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用中南大学能源科学与工程学院   寇明泽摘要:质子交换膜(PEM)燃料电池凭借其工作温度低启动速度快无电解液的腐蚀和流失问题能量密度高等优点逐渐成为新型交通工具、固定式电站、便携式电脑及移动通信设备的理想动力源。加拿大、美国、欧盟和日本等发达国家和地区在PEMFC的研究和开发方面已取得重要进展。关键词:PEMFC,发动机一引言:百余年来汽车工业的发展给人类做出了巨大贡献汽车对社会进步的影响意义深远。但是随着汽车数量的大量增加汽车尾气对人类生存环境造成的危害逐渐为人们所了解和重视。为实现汽车工业的可持续发展人们一直在探索开发具有无污染、噪声低、维护简便和易操纵等优点的电动汽车。八十年代以来许多工业化国家的有关机构和汽车厂商纷纷投入大量资金开发出多种类型的电动汽车。这其中有二次电池电动汽车、混合动力(电源)电动汽车及燃料电池电动汽车等等。近年来质子交换膜燃料电池技术有了突破性进展尤其是高的比功率和无需充电的特点使其在作为电动汽车动力源应用方面极具竞争力显示出良好的应用前景。质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料空气(O)为氧化剂进行工作的。在燃料供给、运行工况控制等方面与二次电池截然不同早在上世纪年代美国GE公司就为国家航空航天局研制了PEMFC空间电源并将其应用于双子星座飞船。由于电池采用了聚苯乙炔磺酸膜其稳定性、导电性均不理想使用寿命较短。年美国DuPont公司的Grot研制出新型全氟磺酸膜(Nafion系列膜材料)PEMFC性能得以大幅度提高。年美国LosAlamos国家实验室(LANL)成功实现电极的立体化使催化剂载量大大降低。年加拿大Ballardpowersystems公司研制出第一台质子交换膜燃料电池汽车标志着PEMFC技术开始向产业化、民用化的方向迈进。在Ballard公司的带动下越来越多汽车制造厂商纷纷将眼光投向了PEMFC相继开发出以纯氢或重整气为燃料的不同特点的燃料电池汽车。年Toyota公司研制出事带有甲醇重整器的RAV型跑车它由一个k的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部km德国奔驰公司在年开发出NECARIII质子交换膜燃料电池汽车同样采用甲醇外部重整向电池供给氢气汽车在启动s内动力系统的能量可达到其最大行程为km通用汽车公司最新研发的Sequel氢燃料电池车的电池发动机最双功率kW配备三个bar高压储瓶储存kg氢一次加氢可连续行驶mile~mile·h-加速只需秒该指标已与普通的内燃发动机汽车非常接近。我国早在上世纪年代就开展了燃料电池方面的研究主要由中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和天津电子部十八所等单位发起。年代至今有大批的高等院校、科研院所和高科技企业加入PEMFC的RD行列。其中清华大学牵头承担了国家“燃料电池城市客车”重大项目的研究开发工作年武汉理工大学与东风汽车公司合作开发出燃料电池轿车“楚天一号”最高时事可达km·h大连化物所在燃料电池基础研究和PEMFC汽车发动机的研制开发方面处于国内领先水平目前该所已组建“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”。另外上海神力科技有限公司、大连新源动力股份有限公司等国内少数几家企业初步实现了燃料电池产品的小批量生产。武汉理工新能源有限公司也实现了核心组件膜电极的批量生产并应用于通信基站备用电源领域。二:PEMFC的一些介绍:什么是PEMFCPEMFC即质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell)的英文缩写。PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成阳极为氢燃料发生氧化的场所阴极为氧化剂还原的场所两极都含有加速电极电化学反应的催化剂质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源其阳极即电源负极阴极为电源正极。两电极的反应分别为:阳极(负极):He=H阴极(正极):OeH=HO注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时阴极电位为V。也即每一PEMFC单电池的发电电压理论上限为V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度通常在~V之间。将多个PEMFC单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的PEMFC电堆。PEMFC的构成及运行原理PEMFC电堆由多个PEMFC单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合各单体之间嵌入密封件经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢即构成PEMFC电堆如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便H和O能顺利通达每一单电池。电堆工作时H和O分别由进口引入经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板经双极板导流均匀分配至电极通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。PEMFC电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧使催化剂靠近质子交换膜在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作具有高密度、高强度无穿孔性漏气在高压强下无变形导电、导热性能优良与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约~mm经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。通常PEMFC的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。PEMFC发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。电堆是PEMFC发电系统的核心PEMFC发电系统运行时反应气体H和O分别通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆发生反应产生直流电经稳压、变换后供给负载。电堆工作时H和O反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)H和O流出电堆后经汽水分离器除水可经过循环泵重新进入电堆循环使用在开放空间也可以直接排放到空气中。:PEMFC的水、热管理和存储装置水、热管理是PEMFC发电系统的重要环节之一。电堆运行时质子交换膜需要保持一定的湿度反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响这就产生了PEMFC发电系统的水、热管理问题。通常情况下电堆均需使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降甚至损坏)同时又必须及时将生成的水排出以防电极“淹死”。由于PEMFC的运行温度一般在℃左右此时PEMFC的运行效能最好因此反应气体进入电堆前需要预加热这一过程通常与气体的加湿过程同时进行电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高必须采取适当的冷却措施以保持PEMFC电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节并用计算机进行协调控制。为了确保PEMFC电堆的正常工作通常将电堆、H和O处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成构成PEMFC发电机。根据不同负载和环境条件配置H和O存储系统、余热处理系统和电力变换系统并进行机电一体化集成就可构成PEMFC发电站。通常PEMFC发电站由PEMFC发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自动控制系统构成。氢气存储装置为发电机提供氢气其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢相应的储氢材料也有多种主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设PEMFC发电站的关键问题之一储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障系统对地面开放空间的PEMFC应用(如PEMFC电动车)不成问题但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题如何设置进气通道必须进行严格的论证。氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题由于氢气是最轻的易燃易爆气体氢气储存装置、输送管道、阀门管件、PEMFC电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸极限必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成传感器必须安装在电站空间的最高处。冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理PEMFC发电机运行产生的热量保障电站环境不超温。将PEMFC发电站的余热进行再利用如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等实现电热联产联供可大大提高燃料利用效率具有极好的发展与应用前景。电气系统根据工程整体供电方式和结构对PEMFC发电机发出电力进行处理后与电网并联运行或和直接向负载供电涉及潮流、开关设备、表盘和继电保护等。采用PEMFC发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式因此其电气及变配电系统是一个值得深入研究的问题。电站自动化系统是为保障PEMFC发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协调控制的自动装置一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器通讯总线和控制器并提供向工程控制中心联网通讯的接口。主要功能包括参数检测、显示、报警历史数据存储故障诊断事故追忆操作指导控制保护输出和数据信息管理等是PEMFC电站信息化、智能化的核心。三:质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用:燃料电池电汽车动力驱动系统的含义根据汽车发动机的概念发动机总成是一个能独立产生机械功率和扭矩并可推动汽车轮转动的动力综合体的总称。以此类推燃料电池电动汽车发动机总成应包括两大部分:将燃料转变为电能的燃料电池组及其辅助系统简称:“动力源”和将电能转换为扭矩的功率变换器与电动机简称“动力驱动系统”。燃料电池电动汽车的动力驱动系统主要包括:燃料处理与供给单元、燃料电池组及其运行支持系统与附属设备、功率控制器、变频调速器、电动机与减速器等(见图)。:PEMFC动力驱动系统主要实验内容起动性能试验:燃料电池电动汽车与内然机汽车起动性能试验内容不同。通过此项试验检查电动汽车燃料电池动力源在空载、负载、常温和低温等不同条件下的起动性能。再生制动试验:电动汽车采用三相感应电动机或直流电机时都存在着再生制动状态合理运用电机的再生制动功能可节省能量。因此当燃料电池电动汽车备有二次电池时可进行驱动系统和电机的再生(发电)制动试验。热平衡试验:在燃料电池动力驱动系统中燃料电池组、功率驱动器、压气机等属于发热部件运行时需要冷却。金属贮氢器、空气预热器等部件运行时需要热量。因此在燃料电池动力驱动系统中设置了若干热交换器。为了节省能量提高系统效率必须对动力驱动系统进行科学的热平衡设计。为了检验和改进系统的热交换性能在发动机台架试验中需进行热平衡试验。效率试验:燃料电池电动汽车与内然机汽车效率试验内容不同。电动汽车效率试验包括系统效率试验和部件效率试验。目的是测定燃料电池动力驱动系统的燃料使用率及能量利用率。对功率驱动系统而言是测定部件的电能传递及转换效率。动力源功率响应试验:燃料电池动力驱动系统运行时由于汽车运行状态与环境的变化要求动力源-燃料电池组的输出功率也应随之改变。动力源功率响应试验就是测定燃料电池系统输出功率对负载快速变化的响应能力。单电池均匀性试验:燃料电池电动汽车动力源-燃料电池组是由许多单电池串联而成。为保证全部单电池性能的一致性必须对电池组进行单电池均匀性试验。保护试验:燃料电池电动汽车使用氢能功率驱动系统又属于大功率电力电子装置。基于上述原因燃料电池电动汽车的保护试验特别重要。保护试验的主要方面是燃料电池组的安全运行和功率驱动系统的短路与过载。

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