（动力机械及工程专业论文）燃料电池发动机测试系统开发及试验方法研究.pdf

摘要 随着传统能源的不断减少及其利用方式所造成的环境污染不断增加，我们 必须为未来的汽车寻找新的动力源。而被称为第四代发电技术的燃料电池，由 于其发电效率高、无污染而倍受人们关注。相应的质子交换膜燃料电池发动机 则具有能量转换效率高、零排放、燃料多样性、工作温度低、可用空气做氧化 剂等一系列优点，因此被公认为是未来最具竞争力的汽车动力源。 首先，简要论述了质子交换膜燃料电池的工作原理、特点、效率和性能等， 以及燃料电池系统的组成。此外，由于本文所设计的测试系统需要模拟整个车 载系统的运行，特别是能量流动方式，并需要得到燃料电池发动机与整车匹配 的各项性能参数。因此，还对燃料电池系统在整车上的应用进行了详细地分析， 为下文的燃料电池发动机测试系统设计提供了良好的前提和铺垫。 本文的主要内容围绕燃料电池发动机测试系统的软硬件设计，以及相应的 试验方法和测试规范来展开。首先设计了整个测试系统的总体结构，然后分别 对各子系统，如供气系统、加湿系统、辅助散热系统、能量流管理系统、数据 采集及控制系统等进行设计；并对反应气体的加湿量和电堆的热平衡进行了详 细的计算；根据测试系统软件平台的功能要求，基于组态王构建了系统的软件 平台，并阐述了组态王的基本功能、数据库的访问和维护方法以及系统中采用 的i 0 板卡等内容；还对数据采集系统中的电源伺服单元和信号调理单元的各 个接口进行逐个定义；由于燃料电池发动机是个很复杂的多输入多输出控制 系统，对p i d 控制在燃料电池发动机测试系统中的应用也进行了研究。 燃料电池发动机工作流程的制定、试验方法和测试规范的提出也是本文的 重点研究内容。根据整个测试系统的运行过程，制定了燃料电池发动机的各个 工作流程，如扫气流程、启动流程、正常工作流程、关机流程等。最后，根据 笔者在燃料电池发动机测试方面的研究经验，并结合我校燃料电池汽车开发的 实际情况，提出了一套完整的燃料电池发动机试验方法和测试规范。其中，主 要内容有测试项目和工况的制定、试验过程及其试验方法的提出，如常温启动 性能试验、工况法试验、环境温度适应性考核、工况循环测试、可靠性考核等。 关键词：质子交换膜燃料电池，燃料电池发动机，测试系统，试验方法 a b s t r a c t w i t ht h e d e c r e a s i n g c o n v e n t i o n a l e n e r g y r e s o u r c e sa n dt h ei n c r e a s i n g e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，w eh a v et of i n dn e we n e r g yr e s o u r c e sf o rt h ef u t u r ec a r a s t h en e w e s tg e n e r a t ee l e c t r i c i t yt e c h n o l o g y ，f u e lc e l ln o to n l yh a sah i g he f f i c i e n c yb u t a l s on op o l l u t i o n s oi ti sf o c u s e db yt h ee n t i r ew o r l d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp 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 le n g i n ea l s oh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha sh i g he n e r g y c o n v e r te f f i c i e n c y ，z e r oe m i s s i o n ，l o w e ro p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，f u e ld i v e r s i t ya n ds o o n s oi ti sr e c o g n i z e da st h em o s tc o m p e t i t i v ea u t o m o t i v ep o w e ri nt h ef u t u r e i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l e 、c h a r a c t e r i s t i c sa n de f f i c i e n c yo fp r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o no ff u e lc e l ls y s t e ma r e i n t r o d u c e df i r s t l y b e s i d e s ，f u e lc e l ls y s t e ma p p l i e do nt h ev e h i c l ei sa n a l y z e d ，w h i c h i n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：t h ec o n f i g u r a t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h ef u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m t h ef o l l o w i n gf u e lc e l le n g i n et e s ts y s t e mi sb a s e do n t h e s e t h ed e s i g no ff u e lc e l le n g i n et e s ts y s t e mi st h eo n em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i s t h eh a r d w a r eo ft h ew h o l et e s ts y s t e mi sd e s i g n e d ；i n c l u d i n gg a ss u p p l ys y s t e m ，g a s h u m i d i f i e ds y s t e m ，w a t e ra n dh e a tm a n a g e m e n ts y s t e m ，e n e r g yf l o wm a n a g e m e n t s y s t e ma n ds a f e t ya l a r ms y s t e m m e a n w h i l e ，t h eh u m i d i f i e da m o u n to fr e a c t i o ng a s a n dt h eh e a tb a l a n c eo ft h ef u e lc e l ls t a c ka r ec a l c u l a t e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h et e s ts y s t e m ，as o f t w a r ep l a t f o r mi ss e tu pb a s e do nk i n g v i e w a n dt h e n ，t h eb a s i cf u n c t i o no fk i n g v i e w 、d a t a b a s ev i s i ta n dv a r i o u si 0t e m p l a t e s a r ed i s c u s s e d t h ei n t e r f a c e so fp o w e rs u p p l ys e r v ou n i ta n ds i g n a lp r o c e s su n i ta r e a l s od e f i n e do n eb yo n e b e s i d e s ，a sf u e lc e l li sac o m p l i c a t e dm u l t i p l ei n p u ta n d o u t p u ts y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no f p i dc o n t r o li nt h i st e s ts y s t e mi sr e s e a r c h e da sw e l l a n o t h e rm a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st h ef u e lc e l le n g i n eo p e r a t i o nf l o wa n dt e s t m e t h o d s d i f f e r e n to p e r a t i o nf l o w sa r ea n a l y z e da n de s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gc l e a r a w a yg a sf l o w ，s t a r t u pf l o w ，n o r m a lo p e r a t i o nf l o wa n ds t o pf l o w a tl a s t ，a c c o r d i n g t oo u r s e l v e sr e s e a r c he x p e r i e n c e ，a n dc o m b i n i n gw i t ho n rp r a c t i c e s ，a ni n t e g r a t e dt e s t m e t h o da n dc r i t e r i o ni sp u tf o r w a r d a m o n gt h i s ，t h et e s ti t e m sa n dt e s tc y c l e sa r e i i e s t a b l i s h e d ；t e s t , c o u r s ea n dt e s tm e t h o d sa l ep u tf o r w a r d ，s u c ha ss t a r t u pp e r f o r m a n c e t e s tu n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e ，o p e r a t i o nm o d e c y c l et e s t ，d e p e n d a b i l i t ya n d e n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t ya s s e s s m e n ta n ds oo n k e yw o r d s ：p e m f c ，f u e lc e l le n g i n e ，t e s ts y s t e m ，t e s tm e t h o d s n j 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垒监 关于论文使用授权的说明 日期丝i ：兰：姐 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阙；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盥导师签名：瘟虹焦 注：请将此声明装订在论文的目录前。 日期塑i ：竺三文 武汉理工大学硕士学位论文 1 。1 引言 第1 章概述 汽车工业是国民经济的支柱产业，是衡量个国家工业化水平的重要标志。 汽车工业是国民经济的支柱产业，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。经 济发达国家在世界经济中的地位与其在世界汽车工业中的排名顺序是基本吻合 的。迄今为止，还没有任何一种商品能够取代汽车在全球出口贸易中第一大商 品的地位。汽车工业的发展将带动相关产业的技术创新和产业本身的发展。为 了发展面向2 1 世纪的汽车工业，尽可能多地占领国际市场，世界各国政府和各 大汽车公司投入大量的人力、物力和财力竞相研制开发和推广应用节能环保型 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。 由于传统蓄电池的性能和价格远未达到使电动汽车实用化的要求，因此电 动汽车研究开发和推广应用的关键在于高性能价格比电池的研发。 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装 置。这种装置的最大特点在于反应过程不涉及燃烧和热机做功，因此能量转换 效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率可高达6 0 7 0 ，实际使用效 率则是普通内燃机的2 倍左右。能量转换效率高是燃料电池的主要特点之一。 质子交换膜燃料电池( p 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 ，p e m f c ) 是燃料电 池中的一种，被人为是今后电动汽车上最理想的动力源【1 1 。 燃料电池在工作过程中将外按供给的活性物质的化学能用电化学方式直接 转换为电能，只要外部活性物质的供给不间断，燃料电池就会持续工作。所以， 质子交换膜燃料电池汽车( p e m f c e v ) 的行驶里程比普通电动汽车要长得多。 据报道，2 0 世纪末期，美国通用汽车公司开发的“氢动1 号”燃料电池轿车和 戴姆勒克莱斯勒汽车公司开发的n e c a r - 4 燃料电池轿车，使用液体氢气，一次 充气可行驶4 0 0 k m 以上，充气或更换氢气瓶只需要几分钟，比普通电动汽车充 电时间短得多。燃料电池汽车的使用性能，如行驶速度、加速能力、一次加注 燃料行驶里程等方面，也可以和目前的燃油汽车相媲美。这是燃料电池汽车容 武汉理工大学硕士学位论文 易被使用者接受的主要原因。 由于质子交换膜燃料电池同时兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、可 快速补充能量、具有模块化结构等特点，因此被公认为是替代传统内燃机的最 理想的动力装置。全世界发达国家及各大汽车公司都非常重视燃料电池的研究 与开发。美国能源部的最新报告指出，燃料电池的研制和开发“已经接近历史 性突破的边缘”，欧、美、日的激烈竞争已进入冲刺阶段，燃料电池技术将成为 2 1 世纪“汽车工业竞争的焦点”。美国前能源部部长助理克西格尔说，2 1 世 纪上半叶燃料电池技术在技术上的冲击影响，将会类似于2 0 世纪上半叶内燃机 所起的作用。福特汽车公司主管p n g v 项目的经理鲍伯默尔称，燃料电池必 定给汽车动力带来一场革命1 2 1 。 1 2 国内外发展状况 美国政府对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非常重视。美国能源部于 2 0 0 2 年1 月9 日提出f r e e d o mc a r ( f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) 计划，支持新能源汽车的研究开发。该计划在2 0 0 3 年由美国联邦政府投资 1 5 0 2 9 6 万美元，其中燃料电池5 0 0 0 万美元( 占3 3 2 7 ) ，加氢设施2 5 8 2 万美 元( 占1 7 1 8 ) 两者之和占总投资的一半以上。2 0 0 3 年2 月美国前总统乔治布 什向国会提出“自由燃料”( f r e e d o mf u e l ) 计划，他在对此计划发表的公开讲 话中指出，“我要国会花费1 2 亿美元的国家投资，给氢燃料电池小客车项目， 使它能从实验室走向售车展厅。我们希望看到，今天诞生的小客车将属于今天 诞生的儿童，他或( 她) 所开的第一辆车将是一辆由氢驱动而无污染的车，使 用氢动力的最大结果，是我国的能源独立，使我们伟大国家的未来公民，极少 地依靠外国能源”。 日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示了极大的关注，为 了促进燃料电池汽车的商业化，由中央和地方政府共同资助在大阪、京都、东 京等城市建立了加氢站。2 0 0 2 年底，日本首相小泉纯一郎以政府的名义采购了 5 辆燃料电池轿车( 丰田公司3 辆，本田公司2 辆) ，租给政府各部门使用。 为了使发展中国家的大城市公告交通车辆改变能源结构，降低有害物质和 温室气体( c 0 2 ) 排放，联合国发展计划署( u n i t e dn a t i o n sd e v e l o p m e n tp r o g r a m ， 2 武汉理工大学硕士学位论文 u n d p ) 和全球环境基金( g 1 0 b a le n v i r o n m e n t a lf a c i l i t i e s ，g e f ) 资助巴西的圣 保罗、墨西哥的墨西哥城、中国的北京和上海等大城市开展燃料电池公交客车 的运行示范工程。2 0 0 3 年3 月2 7f i 在北京召开的启动会，标志着这一由中国政 府、全球环境基金、联合国发展计划署共同支持，科技部和北京、上海市共同 组织实施的项目迸入实旋阶段。该示范项目总投入3 2 3 6 万美元，其中g e f 投入 1 1 5 8 万美元，u n d p 投入4 0 万美元，科技部和北京市、上海市共投入1 4 5 8 万 美元，企业等其他投入约5 8 0 万美元。我国燃料电池公共汽车商业化示范项目 为期5 年，根据北京和上海的地域和资源特点提出燃料屯池公共汽车系统技术 指标，采用全球招标方式购置1 2 辆燃料电池公共汽车，并建立相应的加氢设施， 在北京和上海( 各6 辆) 示范运行，预计运行1 6 0 万k m 。在示范运行中，将系 统地采集和分析各种试验数据，验证燃料电池公共汽车的技术可行性，积累包 括可靠性、失效模式方面的知识和经验，进一步改进设计，降低成本，最终推 动燃料电池公共汽车在我国实现产业化和推广应用，从而达到减少温室气体排 放、保护环境的目的。经过半年多的筹备及与世界各主要燃料电池大客车研制 生产商的协商，项目于2 0 。3 年1 2 月1 8 日在北京肉外界发布了第一期6 辆燃料 电池大客车的招标书，投标截至日期为2 0 0 4 年3 月1 8 日。参与投标的共有四 家公司：东风电动汽车有限公司、上海汽车工业集团总公司、戴姆勒克莱斯勒 中国( 投资) 有限公司、北京清华科威国际技术转移有限公司。经过专家评审 和谈判，最后于2 0 0 4 年5 月1 7 日在北京与戴姆勒一克莱斯勒中国( 投资) 有限 公司签署了采购3 辆燃料电池大客车的合同。合同规定，3 辆戴姆勒克莱斯勒 公司的燃料电池大客车将在2 0 0 5 年1 0 月在北京市投入示范运营。 我国的汽车工业落后于当代世界先进水平至少2 0 年。我国石油资源也比较 匮乏，仅居世界第十六位。从1 9 9 3 年开始，我国已经从石油出口国再次转变为 石油进口国。我国汽车工业的发展依靠石油燃料进口是不可能实现可持续发展 的。从环境状况来看，汽车废气排放污染已经成为我国大中城市大气污染的主 要污染源，这主要是因为我国人口分布高度集中，部分城市机动车尾气排放在 大气污染中所占的比例是相当高的，所以我国能源和环境状况要求我国未来的 汽车工业发展不能跟在别人后面，必须探求新的思路，走中国特色的汽车工业 发展道路，而电动汽车无疑是我国未来汽车工业的发展方向。 发展我国2 1 世纪的汽车工业，应当顺应当前的科技发展趋势，把握时机和 切入点，与西方在应用高科技、发展关键技术方面站在同一起跑线上。电动汽 3 武汉理工人学硕士学位论文 车是汽车工业未来发展的趋势，将电动汽车作为中国2 1 世纪汽车工业的切入点， 是实现我国汽车工业技术跨越式发展的战略选择。世界范围的资源和环境压力， 使电动汽车不仅在中国，而且在世界范围内都有巨大的发展潜力。我国的汽车 工业可以充分利用后发优势，把各方面的研究、设计、制造力量联合起来，集 中解决燃料电池电动汽车的各种关键技术，积极推动电动汽车产业化，其影响 将是广泛而深远的1 3 】。 我国政府也非常重视燃料电池汽车关键技术的研究。“九五”期间，国家科 技部将燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划。在国家科技部、中科院、北 京市和上海市政府的支持下，中科院大连化学物理研究所、北京世纪富源燃料 电池公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、上海神力科技有限公司等分 别研制出5 k w 3 0 k w 质子交换膜燃料电池。清华大学汽车工程系和北京世纪富 源燃料电池公司合作，于1 9 9 9 年1 1 月研制成功5 k w 质子交换膜燃料电池电动 游览车，那是我国第一辆质子交换膜燃料电池车。 2 0 0 1 年1 月，中科院大连化学物理研究所、电工所与东风汽车公司合作研 制成功了质子交换膜电池( 3 0 k w ) 轻型客车。在北京市经委、科委的资助下， 2 0 0 1 年4 月清华大学与北京飞驰绿能电源技术有限责任公司联合研制成功了质 子交换膜燃料电池( 1 5 k w ) 轻型客车。燃料电池汽车关键技术的研究已经全面 展开。 “十五”期间，燃料电池汽车及其关键技术的研究和样车的研制开发，被 列入国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项，予以重点资助。图1 - 1 是国家“8 6 3 ”电动 汽车重大科技专项的组织结构和项目研究课题的设置情况，其中燃料电池轿车 支持项目由上海新能源汽车公司承担，燃料电池城市客车整车项目由北京清华 新能源汽车工程中心承担。燃料电池系统项目由中科院大连化学物理研究所燃 料电池工程中心、上海神力科技有限公司、北京世纪富源燃料电池公司与航天 总公司1 1 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4 个团队承担，他们按照项目要求研制的城市客车车用5 0 k w 、轿车用3 0 k w 燃料 电池系统已于2 0 0 2 年底通过了整车单位的检测和国家科技部组织的项目验收。 其中，中科院大连化学物理研究所和上海神力科技有限公司为城市客车研制的 5 0 k w 燃料电池系统，以及为轿车研制的3 0 k w 燃料电池系统分别在燃料电池城 市客车和燃料电池轿车上进行集成。两个燃料电池整车项目也通过了国家科技 部的验收，并顺利进入第二阶段1 4 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ：燃料 ：电渔 j 专题 电动汽车专项领导小组 燃料电池整车项目混合动力整车项目 兰型_ j 翟鬟 鳘 岖巫囹 巾翮 政策、法规、技术括准诹噬组 通信协议 专题组 多能源动力总ll 测试ij 控制! 成掩制系统ll 基地i l 专题l 堕圆圆藤 电池及电池li 电池评lj 电池l 管理系统f 估系统fi 专题 图1 - 1国家“8 6 3 ”电动汽车重大科技专项的组织结构 和项目研究课题设置情况 在燃料电池发动机测试方面，代表国内先进水平的清华大学学汽车安全与 节能国家重点实验室已经建成了燃料电池发动机台架试验系统，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与航天总公司n 所、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发动机测试领域的最前沿。 5 兰兰翮蛐匿需 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题的意义及来源 1 3 1 课题的意义 通过与东风电动汽车有限公司合作，武汉理工大学已于2 0 0 3 年成功开发出 用于轿车的2 5 k w 质子交换膜燃料电池发动机，并成功装车使用。当然，还有一 系列问题需要我们进一步解决，例如如何对燃料电池发动机的性能进行测试和 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 化等。因此，如何建立一个完善的燃料电池发动机测试系统就是摆在我们面前 的一个重要课题。 燃料电池的测试主要包括燃料电池电堆和燃料电池发动机两部分，其中燃 料电池电堆的测试包括质子交换膜、催化剂、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电堆的研制单位开展，国内外也已制定了相应的试 验规范和标准。从整车应用的角度出发，在这里我们更关心燃料电池发动机的 性能试验。为了节约人力、时间和经费，在燃料电池汽车研究与试制的初期阶 段，应该尽量在实验室内进行大量的燃料电池发动机系统稳态及动态仿真试验， 通过试验台模拟各种车辆的实际运行工况，同时采集和记录试验数据，也为整 车的参数匹配和建模仿真提供可靠的依据。试验是建模的基础，反过来也是燃 料电池发动机系统模型正确与否的重要验证环节。据有关资料估计，如果4 5 的 道路试验能以燃料电池发动机台架试验代替，将使电动汽车发的研制周期缩短 至原来的1 4 ，而且完成相同内容试验，台架试验的费用仅为整车道路试验的1 3 。 所以和传统的内燃机车辆一样，建立套完善的燃料电池发动机测试系统对于 燃料电池电动汽车的开发具有重要意义。 1 3 2 课题的来源 电动汽车承载着我国汽车工业的太多希望。为了提升了电动汽车这一新产 品和新兴产业的竞争力，为促使我国电动汽车开发及其产业链的形成、产业化 环境的改善，进而掌握新一代电动汽车关键技术、探索适合我国能源结构多元 化的交通能源动力系统，科技部把它确定为十五“8 6 3 ”重大科技专项的同时， 也明确提出要在体制上进行创新，选择“官、产、学、研”联合攻关的研发模 式，整合社会资源，研制具有自主知识产权的电动汽车。 6 武汉理- 大学硕士学位论文 为了配合我校2 5 k w 燃料电池电动汽车的研制和开发，进一步加强我校电动 汽车的开发能力，我校将“燃料电池发动机测试系统和动力总成开发平台”列 为“2 1 1 工程”建设项目新能源电动汽车关键技术的重要项目之一。本文正 是在此项目的背景下提出的。 7 武汉理_ 大学硕士学位论文 第2 章燃料电池系统及其在整车上的应用 2 1 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 概述 2 1 1p e m f c 的工作原理 典型的质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 堆由若干个电池单体组成，而电池单 体主要由膜电极( 阴极和阳极) 、密封圈和带有导气通道的集流板组成，集流板通 常由石墨制成，由于其两侧均刻有导气通道，因而也称为双极板。其中膜电极 的中间为质子交换膜，它除了有质子交换功能外，还可以起到隔离燃料气体和 氧化剂气体的作用；膜两边是气体电极，它由兼作电极导电支撑体和气体扩散 层的碳纸和催化剂组成 5 1 。 总反应式：h 2 + 1 2 0 2 一h 2 0 阴极排放 图2 - 1p e m f c 的基本原理示意图 p e m f c 实际上是一个电化学反应发生器，其反应机理是氢气的化学能不经 燃烧而直接转化为电能，实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反 应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化学反应过程中的燃料 和氧化剂。图2 - 1 是p e m f c 的基本原理示意图，其反应过程如下【6 】： ( 1 ) 氢气通过管道及导气板到达阳极； ( 2 ) 在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两 个电子，阳极反应为： h 2 2 h + + 2 e 一 ( 3 ) 在电池的另端，氧气( 或空气) 通过管道及导气板到达阴极，同时 武汉理工大学硕十学位论文 氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路也到达阴极，其结果就是在 阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。 ( 4 ) 在阴极催化剂的作用下，氢、氧离子与电子反应生成水，阴极反应为： 1 2 0 2 + 2 h + + 2 e 一一h 2 0 总的化学反应为： h 2 + 1 2 0 2 一h 2 0 与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输 出电能。 p e m f c 的工作原理和普通的电化学原电池、充电电池类似，都是通过电化 学反应将化学能转化成电能，但两者之间还是有本质的区别。普通的原电池或 充电电池是一个封闭系统，封装后它与外界只存在能量交换而没有物质交换。 当电池内部的电化学物质耗尽或反应条件发生变化时，就无法继续输出电能。 而p e m f c 则不同，参与反应的化学物质，如氢气和氧气，是由燃料电池外部的 单独供气系统供给的，只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连 续性。从这个意义上来讲，p e m f c 本身是一个开放的发电装置，这正是它与普 通电池的最大差别。 2 1 2p e m f c 的特点 p e m f c 除具有一般燃料电池的优点外，作为车用动力源还有自身特有的优 点，概括起来有门： ( 1 ) 工作温度低。一般工作温度为5 0 1 0 0 。c ，所以具有在低温下启动快 的特点。 ( 2 ) 工作可靠性高。质子交换膜是一种固体有机膜，不怕震动，无运动部 件。 ( 3 ) 无化学腐蚀。电解质只含水，不含腐蚀性的酸或碱。 ( 4 ) 零排放。燃料电池工作时只消耗氢气和氧气，反应后的产物只有水。 ( 5 ) 对燃料适应性强。燃料既可采用纯氢，也可使用转化燃料，如甲醇重 整氢气等，并可利用空气作氧化剂，而不需纯氧。 ( 6 ) 效率高。因不受卡诺循环的限制，其能量转化效率高达6 0 7 0 。 正是这些突出的优点，使得p f m f c 非常适合用作电动汽车的动力源。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 3p e m f c 的效率 燃料电池的效率是指燃料中转化为电能的那部分能量占燃料中所含能量的 比值。p e m f c 的效率一般在6 0 左右，在常见的几种燃料电池中并不算高，但 是这已经将近是普通内燃机的2 倍了。 由于内燃机是通过燃料的燃烧，把热能转变为机械能，因此其效率收到卡 诺循环的限制。根据热力学第二定律，热机的效率r 可表示为： 卵2 w q x 1 0 0 = ( t 2 - r p t 2 1 0 0 式中，q 为热机在高温t ，时吸收的热量，w ，为所做的功，部分未转化未机 械功的热量则在温度为t l 时排出，再加上热机中运动部件摩擦造成的损失，热 机的实际效率在3 0 - 4 0 左右，甚至更低。而p e m f c 不是通过氢气的燃烧产 生机械能，而是氢氧的电化学反应直接产生电能，不受卡诺循环的限制。电堆 本身也没有运动部件，不仅噪声小，而且效率得到提高。表2 - 1 为常压下、室温 2 5 时，h 2 、0 2 和h 2 0 的热力学数据。 表2 - 1t - 1 2 、0 2 和h 2 0 的热力学数据 项目 f r i o ( k j m 0 1 )f g ：i ( k j t 0 0 1 )s o m ( j ( m o l k ) ) h 2 ( 气态) 0 0 1 3 0 5 9 0 2 ( 气态) o 0 2 0 5 0 3 h 2 0 ( 液态) 一2 8 5 8 42 3 7 1 96 9 9 4 表2 - 1 中，h ：为焓变，g ：为吉布斯自由能，s o 为熵。 氢气与氧气发生反应生成水的化学反应焓可表示为： a h = z e f + q r = a g + t a s 式中，z e f 为反应所做的功，q 。是反应放出的热量，t 为热力学温度，则 理论上能量转换效率卵为： r = z e f q r = a g a h = ( 一2 3 7 1 9 2 8 5 4 8 ) 1 0 0 一8 3 郎在常压下、室温为2 5 6 c 时，p e m f c 的理想能量转换效率为8 3 。实际上， 由于电池内阻的存在和电池工作时的极化现象，p e m f c 的实际效率大约在 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 7 0 左右。 由于传统的内燃机经常工作在负荷较低的情况下，因而燃油经济性较差， 而p e m f c 在低负荷时系统的效率最高，这一特点更适合汽车应用。传统内燃机 和p e m f c 的效率曲线对比如图2 2 所示。 负简率煳 图2 2 传统内燃机和p e m f c 的效率曲线对比 2 1 4 工作条件对p e m f c 性能的影响 ( 1 ) 电流密度、工作电压、功率密度及能量效率的关系 图2 - 3 所示为某l k w p e m f c 电堆的电压、电流及功率特性。从图中可以看 出，随着电流的增大( 即电流密度增大) ，工作电压下降，但功率增大，电流增 至1 0 0 a ( 相当于电流密度为5 0 m a c m 2 ) 时，达到设计的最高功率1 2 k w ( 相 当于0 3 w e m 2 ) 。由于燃料电池的效率主要与工作电压有关，在工作电压高时， 能量效率高，但功率低。所以没有“最理想”的燃料电池设计，只能做到对电 堆的设计最优化，以达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到高 功率又得到高能量效率。通常燃料电池的设计只能满足最终产品的应用要求【8 j 。 例如，对用于电动汽车的p e m f c ，就要求高功率和低成本，这只有在大电流密 度下才能实现。 武汉理工大学硕士学位论文 t 作琏力：0 ，3 m p a 0 ，3 m p a 功畏名o m n o ，3 m p o 3 m p a 0 1 m p 枷。l m p a 燃科：h 2 氧化荆：空气 妒媳秘，妒轼化剐监7 0 2 0 l o o o o 5 0 1 0 01 5 0 爰 瓣 嚣 哇l 莉程a 图2 - 3p e m f c 的电压、电流和功率特性 ( 2 ) 工作电压的影响 p e m f c 的工作性能与反应气体的体积分数有关，所以气体压力越高，其性 能越好，尤其是阴极的反应物( 氧气或空气) 压力对电池性能的影响更加明显。 如图2 - 3 所示，氢气与空气压力的比值为0 3 m p a 0 3 m p a 的性能优于 o 1 m p a o 1 m p a 的。不过为了减少氢气和氧气通过质子交换膜而相互扩散，从而 避免氢氧混合物引起危险，应尽可能减少膜两侧的压力差【9 1 。 ( 3 ) 工作温度的影响 p e m f c 的温度特性主要与质子交换膜有关。为了保证膜具有良好的质子传 导性，必须保持其适当的湿润条件，因此反应生成的副产物水应尽量为液态水。 受此限制，在常压下p e m f c 的工作温度一般不能超过9 0 ，在0 4 m p a 0 5 m p a 压力下不能高于1 0 2 0 。如图2 - 4 所示为工作温度对燃料电池性能的影响【1 0 l 。从 中可以看出，随着温度的升高，电压一电流密度曲线的线性区斜率绝对值降低， 这意味着电池内阻减小，这样在相同的电流密度下，工作电压升高，功率增大， 效率也有所提高。这主要时因为在限定的温度范围内，工作温度高，反应气体 向催化剂层扩散，质子从阳极向阴极的运动都将加快，这些都会对电池性能的 提高起到积极作用。 叶l_言j外|矗。 乏掣孕 武汉理工大学硕士学位论文 ；0 6 一 | 2 2 燃料电池系统的组成 燃料电池系统，即由燃料电池电堆及各辅膀系统组成，在外接氢源的条件 下可以正常工作，并能直接对外输出电能。其中辅助系统包括氢气供给系统( 不 包括气瓶至一级减压阀部分) 、空气系统( 包括专用于空压机或鼓风机的d c d c 、 d c a c 变换器) 、水热管理系统、安全报警系统、通讯及控制系统等。 2 2 1 空气供给系统 为保证电堆中电化学反应的连续进行，应向电堆持续提供一定压力和流量 而且经过良好过滤的空气。空气经过滤清器后，被高速旋转的空压机压缩，再 经过空气流量计后送入电堆。其中，在进入电堆前，还要对其进行加湿控制。 在一般的车载系统上，目前空气供给系统的加湿多采用直接液态水喷射加 湿法，此方法主要是借鉴汽油机供油系统中使用的电动燃油泵和喷油器来实现。 其加湿装置是通过一个浸在水箱中的电动燃油泵，将水泵起来送到安放在电堆 入口前的一个加湿喷嘴( 喷油器) ，即可向电堆喷射极细的高速脱离子水雾。与 此同时，在空压机加压、加温后的高速空气气流的作用下，水雾进一步蒸发， 以获得更好的加湿效果。在电堆入口前还设置有湿度传感器，用来监视空气的 湿度。根据湿度传感器反馈回来的湿度值，通过控制喷油器供电电压的占空比 就可以对加湿量进行简单的闭环控制1 1 ”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ，2 2 氢气供给系统 与空气系统类似，氢气供给系统也需连续向电堆提供一定压力和流量的高 纯度氢气。系统中，氢气罐内为高纯度、高压力的氢气。氢气罐出口处有压力 传感器，用来指示其瓶内的含气量。高压氢气经过纯机械装置的气罐阀、减压 阀后降压，然后通过电磁阀、电动调节阀、氢气流量传感器、氢气压力传感器 及加湿器后进入电堆。此外，电堆的底部还设有一个尾气电磁阀，用来释放多 余的氢气、空气和电堆中生成的水。 另外，从安全的角度上来考虑，当电堆工作前或电堆停机后，为了避免残 存在气路的氢气和空气发生反应造成危险，需要往气路中充入惰性气体以排净 氢气。因此，系统中还需设置氮气扫气支路。其中，氮气罐与氢气罐并联放置， 同样也经过气罐阀、手动减压阀、氮气电磁阀等后流入氢气管路。 在一般的车载系统上，目前对氢气的加湿一般选用小型的水气加湿器，它 可以满足一定氢气流量时的加湿需要。其加湿原理为，n a t i o n 膜( 质子交换膜) 一侧通氢气，另一侧通连续流动的脱离子热水，在膜两侧会因为温差引起水蒸 气分压力差，从而产生湿度梯度，并以此为驱动力，水蒸气从热水侧通过n a t i o n 膜到达氢气侧，实现对氢气的加湿。该加湿器具有如下特点：无相对运动部件、 不需附加动力( 以流动液体为驱动力) 、便于安装、压力损失小、密封性好以及 可以实现连续加湿等。但是其唯一不足的就是，其加湿量不能任意调节。 2 2 3 水热管理系统 p e m f c 在运行中会产生大量的不可利用熟，为保证电堆内部电化学反应的 正常、高效进行，这些热量必须得到及时散发，因此应严格控制电堆的温度( 如 进口水温7 0 ，出口水温8 0 左右) ，为此需要设计套有效的水热管理系统 与之相配合“。 在水热管理系统中，冷却水由水箱通过冷却水泵进入电堆，流出电堆后通 过散热器及其冷却风扇降温后流回水箱。此循环回路中，在电堆的循环水进口、 出口处分别设置温度传感器，以监测进出电堆的水温。在电堆前还需专门设置 一个电导率传感器，以监测进入电堆的循环水电导率。为了安全，冷却水的电 导率必须控制在0 1 0 u s c m 之问，即必须使用脱离子水，一旦电导率传感器检 测到冷却水的电导率超过规定值时，e c u 将会发出报警信息。此外，由于加湿 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的缘故，水箱中的水会不断减少，因此还需设置一个水位传感器。电堆工作时， e c u 根据温度传感器、水流量计传来的信号控制冷却水泵的流量和冷却风扇的 转速，以将电堆的进口水温控制在7 0 左右，出口水温控制在8 0 左右，从而 维持电堆内部的热平衡，使电堆高效、稳定运行l 捌。 2 2 4 安全报警系统 由于氢气是易燃易爆的危险气体，在高温高压的环境中更加不稳定，尤其 是当燃料电池用于车载系统时，安全性就显得尤为重要，因此需要配备一套完 善的报警处理系统。 为防止氢气泄露到空气中发生爆炸，在氢气罐瓶口和电堆旁需分别安装一 个氢气传感器( 氢气探头) 。一旦检测到有氢气泄露，为保证人员的生命安全， 燃料电池系统控制器应该立即进行报警并采取停机措施。同时，报警系统还应 包括保护整个电堆的正常运行。当检测到电堆有任何工作不正常时，就要向操 作人员发出报警信号或者是自行采取行动，其主要的报警处理方式如下： ( 1 ) 水箱水位报警当水箱中的水低于某一位置时，提示操作人员加水。 ( 2 ) 电导率报警当循环水中的电导率超过一定值时，为防止电堆漏电， 提示操作人员换水。 ( 3 ) 氢气进堆压力报警正常状态时，氢气进入电堆的压力应该在0 3 m p a 以下，如果大于0 3 m p a 说明氢气罐的阀门出现故障，提示操作人员进行检修。 ( 4 ) 电堆出口水温报警电堆要正常工作，就必须保证其处在一定的温度 范围内，比如温度超过1 0 0 时，会使质子交换膜损坏，严重时将会导致氢气和 空气混合发生爆炸。此时除了报警以外，还应进行强行关机。 ( 5 ) 循环水流量报警为使电堆能正常的散热，循环水必须要在整个水路 中正常流动。所以当水流量很小或为0 时，需报警提示操作人员停机检修。 ( 6 ) 功率报警燃料电池系统的输出有一个软特性，郎输出电流越大，电 压就越低。所以如果在工作过程中，当电流很小时电压也很小，就说明此时的 电堆工作不正常，即需要及时提醒操作人员做相应的处理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 通讯系统 在一般的车载系统上，燃料电池发动机控制器通讯接口如图2 5 所示。由于 燃料电池控制系统是隶属于整车智能控制系统的一个子系统，所以要保留一个 与上位机整车能量流控制的c a n 通讯接口。同时，为了方便燃料电池发动机的 调试以及试验数据的保存记录，控制器还要设计一个r s 2 3 2 接口，通过它与p c 机通讯，用于显示和监控。因此，燃料电池系统控制器的通讯部分主要包括两 个模块，一个是与整车智能控制系统的c a n 光纤接