燃料电池系统的设计与研究

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内容来源:  腾讯网 汽车大漫谈



正文开始















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1 前言随着汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增长，全球石油资源递减和环境污染等问题却日益突出。世界各国政府开始投入大量的人力、物力、财力竞相研制和开发旨在以节能、环保为终极目标的混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车。电动汽车作为一种节能、无污染的理想“零排放”汽车，理所当然地受到了广泛的关注与重视，并在今后汽车工业的发展中占有越来越重要的地位。


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2 燃料电池的定义
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池理论上可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。


此外，燃料电池装置不含或含有很少的运动部件，工作可靠，较少需要维修，且比传统发电机组安静。另外电化学反应清洁、完全，很少产生有害物质。所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有发展前途的能源动力装置。

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3 燃料电池的分类
目前，有5种已知的燃料电池类型，其名称与采用的相应的电解质有关。


3.1 碱性染料电池（AFC）碱性燃料电池采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高（可达60一90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感，因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。


3.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜燃料电池采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。


3.3 磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。


3.4 熔融碳酸燃料电池（MCFC）熔融碳酸燃料电池的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。


3.5 固态氧燃料电池（SOFC）固态氧燃料电池采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。


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4 优劣比较
燃料电池在实际运用中为我们带来许多的便利但是同时也有很多地方等待我们进行改进。4.1 燃料电池的优点


1）节能、转换效率高、不需要石油燃料A. 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。由发动机经驱动系统到车轮的综合效率，内燃机汽车为11％左右。以氢气为燃料的FCEV实际效率达到50％～70％；用甲醇为燃料，经过重整产生氢气FCEV，实际效率达到34％。可见，FCEV的实际效率大大高于内燃机汽车。B. 内燃机在额定功率附近才有最高效率，而在部分功率输出条件下运转，效率迅速降低。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。


C. 内燃机过载能力低，在过载运转时容易"熄火"。燃料电池短时间的过载能力，可以达到额定功率的200％，非常适合汽车在加速和爬坡时动力性能的特征。综上几点，燃料电池的节能远远超过内燃机，而且稳定性和可靠性高于内燃机。


2）排放达到零污染内燃机排放废气中的有害气体，对环境造成的污染是内燃机汽车的致命缺点，尽管采取了各种各样的机内和机外的技术措施，只能是达到“低污染”的水平，由于内燃机汽车的数量庞大，即使是"低污染"也给地球环境带来巨大影响。用氢气作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水，属于"零污染"。用碳氢化合物作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水、二氧化碳和一氧化碳等，属于"超低污染"。出于对地球环境保护的要求和谋求新的能源，燃料电池发动机是比较理想的动力装置，并有可能逐渐取代石油作为车辆的主要能源。


3）车辆性能接近内燃机汽车内燃机的比功率约为300W/kg，目前燃料电池本体的比功率为700W/kg，功率密度1000W/L。如果包括燃料电池的重整器、净化器和附属装置在内，比功率为300～350 W/kg，功率密度280W/L。在能量方面燃料电池与内燃机相接近，因此其动力性能可以达到内燃机汽车的水平。4）结构简单、运行平稳燃料电池发动机的能量转换是在静态下完成，结构件构造简单。加工精度要求比内燃机低得多。特别是质子交换膜燃料电池能量转换效率高，能够在80℃的低温条件下起动和运转，对结构件的耐热性能要求也不高。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。


且燃料电池发动机由多个单体燃料电池串联组成，可以配置成各种不同规格的系列燃料电池发动机组，可以装配在不同用途和不同型号的车辆上。在车辆上可以根据车辆的轴荷分配车辆有效空间的利用等具体情况，灵活、机动地进行总布置。另外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。


4.2 燃料电池的缺点燃料电池作为一种先进的能源，有着明显的优势，但在我们现今的应用中仍有许多不足之处：


1）燃料种类单一目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。但燃料种类的单一性，可以建立标准化、统一的供给系统。


2）要求高质量的密封燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V，不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池发动机组，在组合时，单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，因为密封不良的燃料电池中氢气会泄漏到燃料电池的外面，降低氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封，使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。


3）比功率还要进一步提高内燃机的比功率约为300W/kg，以氢为燃料的燃料电池比功率约为300～350W/kg，功率密度为280W/L。甲醇经过重整产生的氢为燃料的燃料电池综合功率密度（包括重整器质量）降低到220W/L。为了满足FCEV动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。


4）造价太高目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂（Pt）作为催化剂，其使用量要求达到0.1～0.2mg/cm^3，目前用量要求达到0.5mg/cm^3，距离要求还较远。而且铂（Pt）在反应过程中受CO的作用会"中毒"而失效。铂（Pt）的使用和铂（Pt）的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。


5）需要配备辅助电池系统燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收FCEV再生制动的反馈能量。通常在FCEV上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在FCEV减速时接受再生制动时的能量。燃料电池将是未来电池的发展方向，我们现在仍需加大燃料电池的研究力度，开发出更高效的燃料电池，同时克服现在存在的问题，推进燃料电池的普及，让它能更好的为人民服务。

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5 燃料电池实例
这里我们以光伏燃料电池混合发电系统的设计开发作为实例。光伏电池输入输出特性可以由它的伏安特性确定。光伏电池的伏安特性是指在某一确定的光照强度和温度下，它的输出电压和输出电流之间的关系。根据文献，对于给定光照强度和温度的光伏电池，它的输出电压和电流可利用标准条件下的光伏电池伏安特性模型，采用光照强度和温度等参数进行修正的方法得到。标准条件（光照强度1kW/m^2，工作温度25℃）下的光伏电池的输出电压VSTC 和电流 ISTC 的关系可以表示为:其中：系数K1=0.01175；系数K4=ln(1/K1+1)；


ISTC——标准条件下的电池电流；ISC——电池的短路电流；Impp——代表最大功率下的电池电流；VSTC——标准条件下的电池电压；Voc——电池开路电压；Vmpp——最大功率下的电池电压。对任意给定光照强度和温度条件下，光伏电池的输出电压Vcell 和电Icell可以表示为：其中:αscT——电池短路电流温度系数(Amps/℃)；βocT——电池开路电压温度系数；NOCT——标准测试温度；ΔTc——补偿温度；Ta——电池给定温度；Ta,ref——标准温度；Rs——模块等效串联电阻；G——给定的光照强度；GSTC——标准测试的光照强度。根据光照、环境温度和负载就可以使用光伏电池的伏安特性模型确定光伏电池的输出功率，也可以计算出光伏电池的最大功率输出，这样就为系统设计和仿真提供了基础。
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6 燃料电池的冷却系统
冷却系统作为燃料电池的一部分担任着十分重要的功能，现在就让我们来了解一下燃料电池的冷却系统的原理及设计。6.1 冷却系统工作原理冷却系统由2套冷却装置组成，分别冷却2套燃料模块，冗余性较好。其工作原理如下图所示。燃料电池系统工作时，燃料电池出口的高温冷却液与通过散热器的环境空气进行热交换后，再流回燃料电池模块。同时,冷却风机带动环境空气冷却通过散热器的冷却液，然后排向车体顶部。


6.2 技术要求在规定的燃料电池有轨电车车顶安装空间(长


6.3 总布置方案根据冷却系统的散热要求、车体空间布置、散热器与风扇性能匹配等情况，初步确定了5种总体布置方案，如下表所示。5种布置方案均采用2台散热器分别冷却2套燃料电池模块，主要区别在于风机数量及其布置方式不同。


经综合考虑，确定采用方案5。冷却装置详细结构如图所示。


冷却装置主要由散热器、风机、膨胀 水箱、箱体、电连接器和减振器等组成，通过4个安装座加减振器后安装在有轨电车顶部。冷却装置顶部布置顶防护网以防大颗粒异物对风扇造成损伤，底部设置排水设施，两端分别设置膨胀水箱和电连接器。冷却装置内部分布4台轴流风机，每2台风机同时冷却1台散热器，采用吸风式冷却。由于结构过于紧凑，后续结构设计时应采取相关降噪措施。6.4 详细设计方案鉴于燃料电池散热量大，而冷却水温度与外界空间温差较小，不利于散热，以及辅助功率、噪声、质量限制等问题,箱体采用铝合金材料制作，并对关键部件进行深入研究及优化设计。1）散热器A.总体结构方案散热器采用铝制板翅式结构，以最大限度减重。本文根据最高工作压力、传热能力、允许压力降、流体性能流量等因素进行散热器翅片优选。在本气—液散热器中，热边介质是乙二醇水溶液，其传热系数较大，可选用低而厚的锯齿形翅片，以保证较高的翅片效率；散热器冷边采用空气作为介质，其传热系数较小，可选用高而薄的锯齿形或百叶窗式翅片，以增加传热面积、加强流体扰动，进而提高换热效率。冷热两侧翅片结构如图所示。其中P为翅片间距，δf为翅片厚度，S为翅片高度，δp为基板厚度。散热器芯体为叉流单流程结构，采用热侧单流程，冷侧单流程。


B.散热器性能计算根据给定的运行条件和性能指标,经过迭代计算,得到散热器芯体几何结构参数，如表所示。








C.翅片优选根据优化计算结果及现有产品试验数据，综合考虑传热、通风、噪声等多方面因素，初步确定了2种散热器结构参数，如下图所示。


在外温为42℃，冷却液出口温度约63℃条件下，分别测试冷侧为锯齿形翅片和百叶窗翅片的散热器试验件的气侧传热系数、空气压力损失与空气质量流速的变化关系。两种翅片在设计流量点的性能对比见下表，在相同空气流速时，锯齿形翅片的传热系数略高于百叶窗翅片，空气压力损失远低于百叶窗翅片，更适宜作为冷侧翅片。D.纳米涂料传热增强试验对散热器进行了某型纳米涂料喷涂前后传热能力影响的对比试验。在相同空气流速时,喷涂纳米涂料的散热器气侧传热系数高于喷涂前约6%，流阻基本没有变化，可在后续样机研制中采用。




2）冷却风机A.总体结构冷却风机采用可独立拆卸吊装结构，单台风机性能参数见下表。


冷却风机主要由轴流风扇、变频电机、风机安装座等组成。轴流风扇直径为560mm,顶部安装防雨整流罩。B.轴流风扇选型及试验对比在冷却系统样机中针对风扇1和风扇2进行了对比测试，结果如下表所示。在相同转速情况下，风扇2比风扇1风量略高，在1m处噪声低约1~2dB(A)，3m处噪声低约1~3dB(A)，故最终选用风扇2。


3）冷却系统膨胀水箱初步方案中膨胀水箱主要由水箱本体、压力释放阀(0.02~0.04MPa)、液位计液位开关、水箱排水阀等零部件组成，水箱本体上设有排气口、补水口等。


由于试验中发现了燃料电池内空气很难排净的问题,后续进行了膨胀水箱结构优化设计：将其由压力水箱改为无压水箱，由空气滤清器替代压力释放阀。进行优化后，再次试验的结果表明，该结构方案满足排气要求。


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结语
燃料电池在我们的生活中越来越多见，本文主要介绍了燃料电池的主要结构及其原理，详细引出了一种燃料电池的设计，并通过计算证明了其可行性，还具体说明了电池的冷却系统的工作原理。