（轮机工程专业论文）20kw燃料电池动力装置系统研究.pdf

v i t ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o na2 0k wf u e lc e l lp o w e r p l a n t s y s t e m c a n d i d a t e ：s h if e i s u p e r v i s o r ：p r o z h a n gx i n y u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e s p e c i a l i t y ：m a r i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 一簟j 。0 j i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乃舯- 日期：州口年6 月巧日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 团在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：乃许 日期：列。年占月2 珀 导师c 擀：帮尹扔 矽p 年厂月万日 弓，j， 一f ： 2 0 k w 燃料电池动力装置系统研究 摘要 燃料电池动力装置测试系统的建立对于燃料电池动力装置总体性能的测 试、系统优化、燃料电池动力装置的发展都有着重要的作用。本文的主要工 作是设计并构建一个2 0 k w 的燃料电池动力装置测试系统。此动力装置可根 据功率的需要为电堆提供理想流量、压力和湿度的气体。根据动力装置需要 实现的功能和通过对气体流量、冷却水流量、加湿量、流量系数等关键参数 的计算，对调节阀、流量计、电磁阀、传感器等零部件进行了选型。依据系 统的结构设计实验台的整体布置方式，完成试验台的搭建。 控制系统由p l c 、上位机、变送器、执行机构构成，控制系统的下位机 采用西门子p l cs 7 3 0 0 。通过对i o 点数和存储容量的估算完成p l c 模块的 选择。根据试验台的功能要求设计系统控制流程图，并按照系统控制流程图， 运用梯形图和语句表完成p l c 程序的编制。上位机采用“组态王6 5 2 ”软 件，完成了上位机组态界面的设计。“组态王 与西门子p l c 的通讯是通过 m p i 实现的；测试系统对气体压力，冷却水压力等关键参数采用p i d 方式进 行调节，通过对s 7 3 0 0 的模拟量闭环控制研究，选择带死区的位置式p i d 算 法对模拟量进行控制。 采用m a t l a b 中的s i m u l i n k 建立质子交换膜燃料电池系统模型，包括气体 进气模型、尾气模型、电池模型等。通过仿真结果，分析电流的阶跃变化对 电压和功率的影响。 关键词：燃料动力装置；p l c ；s t e p 7 ；组态王；s i m u l i n k 2 0 k w 燃料电池动力装置系统研究 a b s t r a c t t h ee s t a b l i s h i n go ff u e lc e l lp o w e 印l a n tt e s ts y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e f o rt h et e s t i n go ff u e lc e l lp o w e rp l a n t so v e r a l lp e r f o r m a n c e ，o p t i m i z a t i o no f s y s t e m ，a n dd e v e l o p m e n to ff u e lc e l lp o w e rp l a n t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri s t h ed e s i g n i n go fa2 0 k wf u e lc e l lp o w e rp l a n tt e s ts y s t e m b a s e do np o w e r s r e q u i r e m e n t ，t h i sp o w e rp l a n tc a l lo f f e ri d e a lf l u xd e n s i t y , p r e s s u r ea n dh u m i d i t y f o rs t a c k b a s e do nt h ef u n c t i o no ft h ep o w e r p l a n ti nn e e da n dt h ec a l c u l a t i o no f g a sf l o w , c o o l i n gw a t e rf l o w , h u m i d i f i c a t i o n , d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t ，a n do t h e rk e y p a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rm a k e ss e l e c t i o nf o rv a l v e ，f l o wm e t e r ，s o l e n o i dv a l v e s ， s e n s o r sa n do t h e rc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h es y s t e m t e s tb e d so v e r a l ll a y o u ta n d c o m p l e t e dt h ee s t a b l i s h m e n to fe x p e r i m e n t a ls t a t i o n s c o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fp l c ，p c ，s e n s o r , i m p l e m e n t a t i o na g e n c i e s t h el o w e rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma d o p t ss i e m e n sp l cs 7 3 0 0 t h r o u g ht h e n u m b e ro fi op o i n t sa n dt h es t o r a g ec a p a c i t ye s t i m a t e s ，i tc a nc o m p l e t et h e c h o i c eo fp l cm o d u l e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft e x tp l a t f o r m ， t h i sp a p e rd e s i g nf l o wc h a r tt oc o n t r o lt h es y s t e m ，w h i l eb a s e st h ef l o wc h a r to f s y s t e m ，u s i n gt h ep l cl a d d e rd i a g r a ma n dt h es t a t e m e n tt a b l et oc o m p l e t et h e p r o g r a m p cu s e s ”k i n gv i e w6 5 2 ”s o f t w a r et oc o m p l e t et h ed e s i g no fp c c o n f i g u r a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n ”k i n gv i e w ”a n ds i e m e n sp l ci s a c h i e v e dt h r o u g hm p i ；t h r o u g hp i da p p r o a c h ，t e s ts y s t e mc o u l da d j u s tg a s p r e s s u r e ，c o o l i n gw a t e rp r e s s u r ea n do t h e rk e yp a r a m e t e r s t h r o u g ht h er e s e a r c h o na n a l o gc l o s e d l o o pc o n t r o lo fs 7 - 3 0 0 s e l e c t i n gt h ep i dc o n t r o la l g o r i t h mi n t h ep o s i t i o nw i t had e a da n a l o g t y p e a d o p tt h es i m u l i n ko fm a t l a bt oe s t a b l i s hp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l s y s t e mm o d e l ，w h i c hc o n s i s t so fg a si n t ot h eg a sm o d e l ，e x h a u s tg a sm o d e l s ，a n d b a t t e r ym o d e l f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，g i v i n ga v a i l a b i l i t ya n a l y s i so nt h e c u r r e n ts t e pc h a n g eo f v o l t a g et op o w e r k e y w o r d s ：f u e lc e l lp o w e 叩l a n t ；p l c ；s t e p 7 ；k i n g v i e w ；s i m u l i n k 嚷 、 辟：i；，- 2 0 k w 燃料电池动力装置系统研究 目录 第l 章绪论1 1 1 引言一1 1 2 国内外发展现状1 1 3p e m f c 原理3 1 4 燃料电池的分类及特点4 1 5p e m f c 的特点4 1 6 课题的意义5 1 7 本文主要研究内容5 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计7 2 1 燃料电池动力装置设计的主要依据7 2 2 燃料电池动力装置测试系统的方案设计9 2 2 1 气体管理系统1 2 2 2 2 加湿系统一l 8 2 2 3 热管理系统2 0 2 2 4 控制系统2 6 2 2 5 报警系统2 7 2 2 6 电子负载3 0 2 2 7 单电池电压检测系统3 0 2 3 本章小结31 第3 章基于p l c 下位机监控系统的实现3 2 3 1 控制层p l cs 7 3 0 0 概述3 2 3 2p l c 硬件系统的选择及其功能3 2 3 2 1i o 点数的确定3 2 3 2 2 系统模块的确定3 4 3 3 基于s t e p 7 的燃料电池测试系统的下位机系统设计3 5 3 3 1s t e p 7 软件简介3 5 3 3 2 用s t e p 7 制作下位机测试系统的主要步骤一3 5 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 3 3 3 系统程序的设计3 8 3 3 4f b 4 1 在系统模拟量闭环控制中的应用4 l 3 4 本章小结4 3 第4 章基于组态王软件的上位机监控系统实现：4 5 4 1 软件( k i n g v i e w ) 简介。4 5 4 2 用组态王制作制作燃料电池监控系统的过程4 5 4 2 1 建立工程4 5 4 2 2 设计系统画面4 5 4 2 3 构造数据库4 8 4 2 4 与下位机的通讯5 0 4 2 5 动画连接5l 4 2 6 运行和调试5 1 4 3 本章小结5 1 第5 章基于m a t l a b 的燃料电池系统仿真。5 2 5 1 标准状态下燃料电池可逆电压。5 2 5 2 非标准状态下可逆电压预测5 3 5 2 1 可逆电压随温度的变化5 3 5 2 2 可逆电压随浓度的变化5 3 5 3 燃料电池实际输出电压5 4 5 3 1 由反应动力学引起的活化损耗5 5 5 3 2 欧姆过电压5 7 5 3 3 质量传输引起的浓度损耗5 7 5 4 电池的等效模型5 8 5 5 燃料电池仿真模型的建立5 8 5 6 仿真结果分析5 9 5 7 本章小结6 1 结论6 2 参考文献6 3 暑 3 一 l i h 墨 j 、 2 0 k w 燃料电池动力装置系统研究 致谢6 7 附录6 9 j：主 - 一 0j ， - 、 一 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自2 0 世纪下半叶以来，世界各国都投入巨资进行洁净新能源的研究与开 发，中国也早在“六五 期间就开始了相关的研究工作。其中，氢能作为一 种可再生的清洁能源，引起了人们的广泛关注。目前，氢能的利用形式主要 有两种，一是直接将氢燃烧，使氢能转化为热能或电能；二是通过先进的发 电装置，如燃料电池，将氢能转化为电力。燃料电池己有一百多年的研究历 史，但直至2 0 世纪9 0 年代才实现技术上的真正突破。随着实用型质子交换 膜燃料电池的研制成功，人们逐渐看到了氢能作为清洁能源的意义之所在。 燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效的将反应物的化学能转化为 电能。作为发电装置，热机和普通电池也可将燃料化学能转化为电能，但和 燃料电池相比有很多不同，热机发电需要若干个中间步骤，即首先需要燃烧 将燃料的化学能转化为电能，然后通过热机将热能转化为机械能，最后通过 发电机将机械能转化为热能，由于能量转换过程基于热机，其最大效率受限 于卡诺循环。普通电池和燃料电池相比，普通电池是一种储能设备，其最大 的发电量取决于保存在电池自身中的化学反应物的数量，普通电池的寿命也 是有限的。而燃料电池是一种能量转换设备，理论上只要燃料和氧化剂的不 断供给，燃料电池就会不断的发出电制孓引。燃料电池的特点是高效率、低污 染，燃料具有通用性，来源并不仅局限于化石燃料。在六种燃料电池中，最 适合作为汽车和潜器动力源的是质子交换膜燃料电池( p e m f c ，p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) ，与其它燃料电池相比，它具有起动快、工作 温度低以及更高的功率密度等优点。 1 2 国内外发展现状 近年来，世界各国都在积极的进行燃料电池的研究，自从1 9 9 3 年加拿大 b a l l a r d 研究出第一辆燃料电池汽车，各大汽车公司都开始了燃料电池汽车的 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 研究，欧洲和日本的著名汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发， 日本的丰田公司、本田公司，美国的三大汽车公司都已经成功的研制出了自 己的燃料电池汽车。韩国从1 9 9 8 年开始资助燃料电池的开发，现在己成为燃 料电池知识和技术方面的一个主要贡献者【m 】。韩国2 0 1 2 年的目标是利用基 于电解的可再生技术开发制氢系统、开发3 7 0 m w 固定式燃料电池、引入 1 0 0 0 0 辆燃料电池汽车【孓引。 在政府、研究所、高校的共同努力下燃料电池在我国的发展相当迅速， 许多高校如同济大学、武汉理工大学都制造出了主产权的汽车。我国研制的 汽车与国外的同类产品相比价格较低，具有相当的竞争力；我国自行研制的 “超越4 号”氢燃料电池小轿车，在巴黎举行的“清洁能源汽车挑战赛”中， 取得了4 “a ”、1 “b ”的优异成绩，并完成了1 2 0 公里的拉力赛；目前超 越4 号氢燃料电池车已经研发成功燃料电池该车最高时速可达1 5 0 公里以上， 加一次氢气更是可以持续行驶超过3 0 0 公里。2 0 1 0 年上海世博会期间，我 国自制的燃料电池汽车将参与服务运营。上海市目前已与科技部展开合作， 上海将有超过1 0 0 0 辆的新能源汽车为上海世博会服务，其中2 0 0 辆为燃料电 池车，它们将在园区内服务，实现零碳排放；其余5 0 0 辆车为包括混合动力 车在内的低碳排放车，将在园区周边服务。国内在燃料电池研究和开发方面 有着先进水平的企业有：上海神力科技公司、航天部8 1 1 所，北京飞驰绿能 电源技术有限责任公司、北京世纪富原燃料电池有限公司、大连新源动力股 份有限公司等。上海神力科技公司开发了包括车用燃料电池发动机、燃料电 池游览车、燃料电池发电站等几个系列的燃料电池产品，其中燃料电池发电 站、游览车己经实现了销售，建立了全套的中小功率与大功率的质子交换膜 燃料电池发动机。并且具备批量生产能力。航天部8 1 1 研究所在燃料电池的 研究、开发方面已经达到或超过国际水平，成功的组装了2 0 k w 、5 0 k w 、l o o k w 的大功率质子交换膜燃料电池电堆；我校建立的燃料电池的动力装置测试实 验台所采用的就是8 1 1 所生产的2 0 k w ( 氢氧) 质子交换膜燃料电堆【5 。 在燃料电池动力装置测试方面，代表国内先进水平的清华大学汽车安全 与节能国家重点实验室已经建成了燃料电池动力装置台架试验系统，包含数 据采集、试验控制、软件分析等较完善的功能模块，该系统已在国家“8 6 3 ” 客车用燃料电池发动机的评估测试中得到应用。按照其用燃料电池第一节点 2 1 ；p 第1 章绪论 测试规范，分别对中科院大连物理化学研究所、北京飞驰绿能电源技术有限 责任公司与清华大学核技术研究院、北京世纪富源燃料电池公司、上海神力 科技有限公司开发的客车用燃料电池发动机( 5 0 k w ) 进行了测试，分别考核了 电堆和发动机总成的性能。测试项目有燃料电池发动机常温启动性能测试， 考核常温下发动机的启动快慢；电堆和发动机工况法试验，考核怠速工况、部 分负荷工况、标定功率工况和过载工况下电堆和发动机的性能指标。此测试 系统的设计思路和试验方法对今后燃料电池发动机的测试具有重要的参考及 借鉴价值，代表了我国燃料电池动力装置测试领域的最前沿吲。 1 3p e c 原理 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 本体示意图见图1 1 ，一个p e m f c 本体 由若干个电池单体组成，而电池单体主要由端板、双极板、质子交换膜、密 封垫片、气体扩散层，几部分组成，双极板的其两侧均刻有导气通道。 图1 1 质子交换膜燃料电池示意图 燃料电池由两个电极组成阳极和阴极，氢气在阳极被氧化，被电解成两 个氢质子和两个电子，反应如公式( 1 1 ) 所示： 致一2 h + + 2 e 一 ( 1 1 ) 反应是在阴极进行的，质子通过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达 阴极，在阴极上在催化剂的作用下，氧与质子和电子发生电化学反应，产生 水和热。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 圭+ 2 h + + 2 e - 一马。 ( 1 - 2 ) 总反应为： 马+ 互10 z 一吼。 ( 1 3 ) 1 4 燃料电池的分类及特点 ( 1 ) 质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x e h a l l g em e m b r a n ef u e lc e l l s ，p e m f c ) 包括高功率密度、低工作温度和良好的工作循环持久性。缺点使用昂贵的铂 催化剂和昂贵的聚合物膜，并且需要良好的水管理。 ( 2 ) 碱电解质燃料电池( a l k a l i ef u e lc e l l s ，a f c ) 采用氢氧化钾作为电解 液其成本较低并且可改善阴极性能，但这种电解液对影响纯度的杂质，如二 氧化碳很敏感，因而运行中必须采用纯氢气一氧气【7 】o ( 3 ) 磷酸型燃料电池( p h o s p h o f i ca c i df u e lc e l l s ，p a f c ) 比较可靠、技术 成熟、电解质成本相对较低。缺点包括需要昂贵的铂催化剂、对一氧化碳和 硫易中毒和电解质为挥发性液体，必须在工作时不断补充。 ( 4 ) 固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l s ，s o f c ) 用的是固态电解 质，具有较高的电流密度。由于工作温度较高需要显著的高温材料和相对昂 贵的组件。 ( 5 ) 熔融酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l s ，m c f c ) 它以高温下 熔融的碳酸锂、碳酸钾作为电解质，燃料选择性多并可采用非贵重金属作为 催化剂，系统不仅可以直接利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以带 动汽轮机进行二次发电，可以组成大型复合式发电系统，效率可以达到近 9 0 。 1 5p e m f c 的特点 燃料电池之所以具有不可估量的发展潜力，就在于它具有很多其他能源 发生装置无法比拟的优点。它既不同于一次电池，也不同于二次电池，它是 连续工作式电化学反应器，反应物( 燃料和氧化剂) 在制造燃料电池时并不储 4 砖 弓 ! 一 第1 章绪论 存于电池中，而是在电池工作时由外界不断输入，在电池内发生电化学反应， 燃料电池就能持续工作，其主要特点如下【乳1 2 1 ： ( 1 ) 效率高，理论效率可达到8 3 ，实际效率可达到5 0 以上。 ( 2 ) 没有环境污染，因为燃料电池的唯一产物是水； ( 3 ) 燃料电池是通过电化学反应产生电能的，运行噪声低。 ( 4 ) 构造简单，便于维护保养。 ( 5 ) 电池燃料氢来源广泛，可由各种化学燃料制得。 1 6 课题的意义 燃料电池动力装置测试系统的建立主要有两方面的作用，是测试燃料 电池本体的性能，二是测试燃料电池动力装置整体的性能。燃料电池的测试 包括质子交换膜、催化剂、双极板和电堆本身的相关性能试验，这部分试验 主要由燃料电池的研制单位开展，国内外也已经制订了相应的试验规范和标 准。在这里我们更关心燃料电池动力装置的性能试验。燃料电池动力装置的 建立可以为燃料电池提供标准强制氢气氧气供给，以取得和预测发动机动态 特性，对动力装置性能进行评估，对动力装置控制进行优化和调试。为了节 约人力、时间和经费，应尽量在实验室内进行大量的燃料电池动力装置系统 稳态及动态仿真实验，通过试验台模拟各种实际的运行工况，同时采集和记 录实验数据，也为建模仿真提供可靠的依据。如果将燃料电池动力装置应用 于汽车，据有关资料显示，若有4 5 的道路试验能以燃料电池发动机试验台 代替。将使电动汽车发动机的研制周期缩短至原来的1 4 ，而完成相同内容的 实验，台架试验的费用仅为整车道路试验的1 3 。因此，建立一套完善的燃料 电池动力装置测试系统对对燃料电池动力装置的性能进行测试和评估、如何 获得发动机的稳态和动态特性、如何对发动机的控制进行调试和优化以及燃 料动力装置在汽车和潜器上的应用具有重要意义。 1 7 本文主要研究内容 ( 1 ) 根据燃料电池的结构和原理和燃料电池的工作条件和特性要求，设 计燃料电池动力装置测试系统结构，系统关键部件进行选型，利用a u t o c a d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设计试验台的布置方式。 ( 2 ) 完成测试台自动控制及数据采集系统的设计，选择p l c 模块，完成 下位机控制程序和上位机人机界面程序的编写，完成控制系统的接线与调试。 ( 3 ) 采用m a t l a b s i m u h n k 进行质子交换膜燃料电池系统进行建模与仿真。 6 砖 ， 一 左 j 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计 燃料电池动力装置系统设计主要包括气体管理系统、加湿系统、热管理 系统、控制系统、报警系统、单电压巡检系统的设计。本章主要介绍了各个 系统的结构和可以实现的功能。通过对气体流量、加湿量、流量系数等参数 的计算完成了系统的选型。 2 1 燃料电池动力装置设计的主要依据 根据对p e m f c 性能的研究，可知流量、温度、压力、湿度是对电池性 能产生影响的最重要的因素，电池测试系统设计就是根据燃料电池性能产生 影响的因素和工作环境的要求进行设计的，表2 1 列出的是测试设备需要控 制和测量的主要参数： 表2 1 气体参数表 氢气氧气 水 流量流量 流量 温度温度温度 压力 压力压力 相对湿度相对湿度循环水电导率 ( 1 ) 流量 燃料电池是通过氢气和氧气的电化学反应产生电能的，气体的流量是和 电池的功率相关的，要保证电池足够的功率就必须提供足够的气体。气体的 理论流量是电池是在燃料电池一定电流下工作时转移的电子数的计算得出 的，在试验过程中实际流量还要考虑气体的过量系数。冷却水的流量是和电 池的散热量相关的。冷却水的流量可由电池在额定功率工作时产生的热量算 出【1 0 _ 14 1 。 ( 2 ) 温度 根据电化学原理，质子交换膜燃料电池工作温度升高会导致电池开路电 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 压的下降。但是依据电化学动力学，电池工作温度的升高会加快电池的电化 学反应速度，对于燃料电池而言反应速度比开路电压更为重要，因此升高电 池工作温度，能提高电池性能，提高化学能至电能的转化效率。研究表明随 着电池工作温度由常温不断上升，电池的输出电压迅速增大，温度升8 0 以 后，输出电压的增加不再显著。这是由于低温时电池存在着明显的活化极化， 而且欧姆阻抗也较大，升高温度会使电池的活化极化和欧姆极化大幅降低， 因而改善了电池性能。当温度过高时，会使膜脱水，引起膜性能变差，造成 电池性能的下降。因而在燃料电池工作时，需要很好的辅助散热系统。总之， 提高质子交换膜燃料电池的运行环境温度，有利于提高电池的性能。但由于 质子交换膜的承受温度的能力有限，为了保证燃料电池有很好的输出性能的 同时保证电池的工作寿命，应将电池的工作温度控制在8 0 c 之内，通常7 5 。c 为型15 1 。 ( 3 ) 湿度 燃料电池的反应是在阴极进行的，因此反应主要是依靠氢质子的引动为 媒介。氢质子的移动是依靠其聚合物结构中含有磺酸根，因为在磺酸根上吸 附有可迁移的酸性质子。正是由于这种可迁移的酸性质子的存在，才使得 n a t i o n 膜在燃料电池中能够传递质子，n a t i o n 膜中酸性质子的迁移传导能力， 即膜的离子导电性在主要取决于于膜中的水含量，膜的水含量越高，膜的离 子导电能力就越大；膜含水量低时，膜的离子导电性就会下降从而使电池的 性能急剧下降【1 6 】1 1 7 】。 在电池堆内部，电化学反应中生成的水不足以充分保证工作环境的湿度， 即保证p e m 的正常含水量，当大功率电堆工作时，由于反应需要的气量较 大，高速大量的气流会带走大量的水分，特别是电池在较高的温度工作时， 会加快水分蒸发速度，很快就会引起电池内部的湿度下降，致使p e m 失水， 导致电池堆性能下降。为了保证在燃料电池运行过程中电解质始终具有良好 的离子导电性，燃料电池的反应气在进入电池以前还需要进行气体加湿，以 维持p e m 正常的湿度。但同时必须控制加湿量，否则会淹没电极，破坏电 化学反应，导致电堆不能正常工作【1 6 】【17 1 。 镰 户 薯 ， 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计 ( 4 ) 压力 从电化学动力学与电化学热力学看，提高反应气的压力能提高燃料电池 的开路电压，在较高的压力下工作可以降低燃料电池的电压损耗，使燃料电 池获得更高的能量密度，尤其是对于阴极的反应物而言。通常来说，在质子 交换膜两侧的反应气体的进气压力要保持平衡或阴极气压略高于阳极气压， 应该将两侧进气压差控制在0 0 4 m p a ，这样可将气体通过质子交换膜的扩散 减小到最低程度。如果不能将压力控制在规定的范围内，反应气体通过质子 交换膜扩散将会造成电池电压的下降，甚至会导致氢氧混合产生爆炸。因此 对p e m f c 而言，反应气的工作压力范围从常压n o 4 m p a 之内。研究表明，电 池的性能会随着电池压力的升高而升高，但压力升高n o 3 m p a 以后性能改善 的效果将不在明显，同过高的压力会使燃料电池质子交换膜的寿命缩短，甚 至会使交换膜产生破坏，因此应将进气压力控制在0 3 m p a 左右，即使燃料电 池的性能较好，又可以保证电池的工作寿命1 9 1 。 2 2 燃料电池动力装置测试系统的方案设计 设计的2 0 k w 质子交换膜燃料电池系统应包括有下列子系统：气体管理系 统、加湿系统、热管理系统、控制系统、报警系统、电子负载、单电池电压 扫描系统组成。设计测试系统的各个子系统时应保证所有系统满足以下的要 求： ( 1 ) 气体管理系统：控制并调节氧气、氢气的流量和压力，氢气的最大流 量为4 0 0 s l p m ，氧气的最大流量为2 0 0 s l p m 。为了提高燃料利用率对尾气 进行回收利用。 ( 2 ) 加湿系统：加湿系统要保证加湿效果的前提下尽量使系统结构简单， 利用电堆出口循环冷却水或电池产生的水对进口的气体加热和增湿。 ( 3 ) 热管理系统：采用去离子水循环的方式冷却燃料电池电堆，设有循环 水电导率检测以及水箱自动换水功能，能控制和调节电堆的温度并将其维持 在实验设定值上。 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 4 ) 控制系统：该系统根据测试的要求对系统运行参数进行自动控制并将 试验参数( 温度、压力、流量、液位、电压、电流和功率等物理量) 记录、 保存并按用户选定的形式用图表在上位机上显示出来。 ( 5 ) 报警系统：系统可根据试验设置的报警限以及报警类型所设置的联锁 程序进行报警、报警处理以及实现联锁停机等功能。 ( 6 ) 电子负载：该电子负载应当能根据动力装置测试系统的要求进行控 制和调节。根据设计要求该电子负载的最大耐受电压和最大电流、峰值功率 都能满足要求。 ( 7 ) 单电压检测系统：在电池运行过程中可对电堆的1 2 6 片单电池的电 压进行实时监测，如果测得的单片电池电压超过单片电压上限和下限，进行 报警处理。 根据上述要求完成了燃料电池测试系统的设计，图2 1 为燃料电池动力 装置系统的组成，并用c a d 绘制了系统的布置图，图2 2 为燃料电池动力装 置测试系统的三维布置图，图2 3 为燃料电池动力装置测试系统的试验台。 图2 1 燃料电池系统 l o l 一 一 i 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计 图2 2 系统的三维布置图 图2 3 燃料电池试验台 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 气体管理系统 气体管理系统的作用是给燃料电池提供气体。气体的压力，流量，温度 都是可以控制的，相对湿度应满足系统要求。气体管理系统由氢气供给系统、 氧气供给系统和氮气吹扫系统几部分组成，图2 4 为气体管理系统。 2 2 1 1 气体管理系统设计 r 工 h 二卜 糊 减j f 蝴袈f h ：卜z 洲塞m 湿l r j r u 引一广 兄竺臻j hj 甜掣兄升兄f 兄，一r - _ i 三广一一一卜t 赫阀赫一锄离4 霉掌- “赢、一赫阀谳 ，阀 阀t电磁阀_ 一-jj 图2 4 气体管理系统 为了保证燃料电池电堆中的电化学反应的连续进行，气体供给系统应能 连续向电堆提供一定压力、一定流量的高纯度氢气和氧气。设计的氢气供给 系统中，氢气罐内为高纯度、高压力的氢气，高压氢气经过气罐阀、减压阀 后降压( 从氢气罐出来的氢气大概为1 3 m p a ) 降到工作压力后通过电磁阀、 电动调节阀、流量计、氢气加湿器进入电堆。气体的进气压力有两种控制方 法，开式循环中质量流量控制器根据来自于上位机的流量设定值采用p i d 控制方式将流量稳定在规定的设定值上。压力传感器测得的气体进堆压力值 被上传到p l c ，与气体进气压力设定值进行比较，并作用在气水分离器后尾 气调节阀上，通过调节尾气阀的开度将压力维持在设定值上。在闭式循环情 况下，尾气调节阀是关闭的，因为气体流量和压力是相关量，可以不考虑气 体迸气流量将压力作为唯一反馈量，压力传感器测得的气体进堆压力值被上 奠 l 一 户 卜 第2 苹质子交换膜燃料电池系统设计 传到p l c ，与气体进气压力设定值进行比较，并作用在进气调节阀上，将压 力维持在设定值上。反应过剩的气体通过气水分离器将水气分离后通过气体 循环泵重新泵回进气管路继续参加反应。从安全角度考虑系统还应设置有氮 气扫气回路，当电堆工作前前或电堆不工作时，为了避免残存在气路的氢气 和氧气发生反应造成危险，将氮气同时通入氢气和氧气进气管路，将管路和 电池内部的未反应的氢气和氧气吹扫干净，防止氢气氧气掺混发生危险【1 8 。2 0 】。 2 2 1 2 气体管理系统计算分析 ( 1 ) 氢气的消耗量计算 燃料电池的阳极反应： 心一2 h + + 2 e 一 ( 2 1 ) 阴极反应： = 10 2 + 2 h + + 2 p 一- - h 2 0 ( 2 - 2 ) 总反应式为： 也+ 委q 专哎d ( 2 - 3 ) 电池的功率可表示为： p = 以= ，z u o _ n l e ( 2 - 4 ) 式中，p 电堆的功率，k w ，i 电流，a ；u 0 单片电压，v ；n 电堆层数，本系 统中州2 6 ；1 单层电子数；转移的电子总数为朋啊2 嚣； 氢的质子数与转移的电子数是相同的，消耗氢气的摩尔数为： p tn l t 船h 22 2 n a u o e2 2 f ( 2 - 5 ) 式中，f 是法拉第常数，f = n a e = 9 6 3 5 0 ，c m o l ；n a 是阿伏伽德罗常数， e 表示一个电子所带的电荷量，e ：1 6 0 2 x1 0 1 9 c ；，为时间，取t = 6 0 j 。 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 电池达到最大功率时电流i = 2 5 0 a 每分钟氢气流量，标准大气压下 易2 = 1 o l x l 0 5 p a ，氢气的体积流量1 8 l 2 2 4 6 0 1 2 6 1 2 v h 2 = 2 2 4 n h 2 2 2 f = 2 1 9 7 2 ， ( 2 - 6 ) 式中，2 氢气的体积流量，s l p m ，行日2 氢气的物质的量，m o l ；锄2 理论 化学反应计量比；取1 3 时，2 = 2 8 5 6 1 s l p m 。 燃料电池系统中，氢气是在2 8 个大气压下工作的，此时氢气的体积流 量为： 。气2 ( 2 - 7 ) 实际体积流量：= 鼍笋- 1 0 2 朋 转化为质量流量：聊h = 2 1 2 8 夏5 _ 6 1 2 = 2 5 5 9 m i n _ 1 5 3 k g l l ，历， 7 r 2 氢气的 “ 1 ， 。 质量流量，单位e f f m i n ： ( 2 ) 氧气消耗量的计算 每分钟在标准状态下的氧气流量： 气2 4 x 6 0 x 村k 心，- 1 0 9 名5 乜( 2 - 8 ) 式中乜理论化学反应量，理论化学反应量取1 3 ，魄2 1 4 2 8 s l p m 。 在2 8 个大气压下工作的尸d 2 = o 2 8 m p a ，此时氧气的体积流量呓2 ，l p m ； 匀一乞。匀饧( 2 - 9 ) 实际体积流量：吆：竺型：5 1 l p m 屹2 8 转化为质量流量：m o =：2 0 4 9m i n ：2 4 k g h 2 , 3 2 1 4 2 8 12224 设计氢气最大流量3 0 0 s l p m ( 0 2 8 m p a 下约为1 0 7 l p m ) ，氧气最大流量 ， 一 p l 卜 第2 章质子交换膜燃料电池系统设计 1 5 0 s l p m ( 0 2 8 m p a 下为5 3 l p m ) 。在标准大气压下与2 8 个大气压下，氢气 和氧气的质量流量是不变的。 ( 3 ) 氢气管路直径的确定 实际流量q = v s ，v 为气体的流速，s 为管路的截面积。根据经验值 气体的流速应小于1 0 m s ，取8 m s计算得s = 2 2 9c m z ，则管路管路直径 d = 1 6 8 2 r a m 。因为管路直径越大气体流速则越慢气体就越容易控制，所以管 路直径尽量的选大一些，管路直径的实际值取2 5 m m 。 ( 4 ) 氧气管路直径的确定 氧气的最大流量为氢气的1 2 ，为1 5 0 s l p m ，转化为实际流量为 5 3 5 l p m = 3 4 1 m j h 。气体的流速应小于1 0 m s ，取8 m s ，得s = 1 1 5c m z ，管 路直径d = 1 2 1 m m ，管路直径实际值取2 0 m m 。 ( 5 ) 流量系数k v 值的确定 调节阀的流量系数k v ，是调节阀的重要参数，它反映调节阀通过流体的 能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流量系数k v 的计算，就可以确定 选择调节阀的口径。为了正确选择调节阀的口径，必须正确计算出调节阀的 额定流量系数k v 值。调节阀额定流量系数k v 的定义是：在规定条件下，即 阀的两端压差为1 0 5 鼢，流体的密度为l g c m 3 ，额定行程时流经调节阀以 m 3 h 的流量数。 一般气体当只 o 5 e , 时： d k ，= - 兰生 9 4 7 3 1 0 5 ( 2 一l o ) 式中：q 标准状态下气体流量n m 3 h ，e m 阀前后压力平均值， = 尘学= 3 0 0 舻口；阀前后压差肿，凹= 鼻一只；g 气体比重( 空气g = 1 ) ，g 氢气= 0 0 6 8 9 ；g 氧气= 1 1 ；g 氮气= 1 0 3 5 ；经计算可得：氢气的流 量系数k v = 0 3 7 3 ；氧气的流量系数k v = 0 7 4 5 ；氮气的流量系数k v = 0 2 9 8 。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 2 2 1 3 关键零部件的选型 ( 1 ) 气体电磁阀 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；图2 5 ，2 6 分 别为氢气进气电磁阀和氮气进气电磁阀，系统的电磁阀用