《燃料电池技术》课件-任务二.认识燃料电池的性能参数

任务二认识燃料电池的性能参数项目一.燃料电池认知《燃料电池技术》目录0201燃料电池的参数03燃料电池的主要术语燃料电池的主要技术参数04燃料电池的应用燃料电池的参数01----------------认识燃料电池的性能参数----------------典型燃料电池1典型燃料电池2典型燃料电池参数表H-2020W，7.8V/2.6A13片氢气、空气干燥，纯度99.99%4.3-5.8psi满负荷运转时280mL/min<30s6V-12V6V4V-12V自增湿空冷5-35℃40%满额功率<55℃230g76mm*71mm*46mm备注：产品为20瓦半集成型质子交换膜燃料电池系统，标准配置包括电堆、电磁阀、电控装置、外壳及风扇集成体、低压保护。H-1212W，7.8V/1.6A13片氢气、空气干燥，纯度99.99%4.3-5.8psi满负荷运转时180mL/min<30s6V-12V6V4V-12V自增湿空冷5-35℃40%满额功率<55℃225g76mm*71mm*46mm备注：产品为12W半集成型质子交换膜燃料电池，标准配置包括电堆外壳、风扇。产品型号额定输出单电池数反应物供氢质量供氢压力供氢流量启动时间输出电压放气阀压风扇电压增湿类型冷却类型环境温度电堆效率电堆温度产品重量产品尺寸燃料电池的主要术语02----------------认识燃料电池的性能参数----------------燃料电池主要术语《GB/T28816-2012燃料电池术语》标准给出了燃料电池的主要相关术语的解释，此处给出燃料电池常用的术语，便于应用中区分。燃料电池主要术语1.废水从燃料电池发电系统中排除、且不是热回收系统组成部分的多余水。2.水分分离器把燃料电池排出气体中的水蒸气凝聚和分离的设备。3.湿封通过电解质表面张力防止燃料电池反应气泄漏出去的气密方法。燃料电池主要术语4.内部连接体在燃料电池堆中连接单电池的导电气密部件。5.增湿（1）增湿

通过燃料和/或氧化剂反应气体，向燃料电池内部引入水的过程。（2）增湿器

将水加入到燃料和/或氧化剂气体中的设备。燃料电池主要术语6.气体（1）气体扩散层

放置在催化层和双极板之间形成电接触的多孔基层，该层允许反应物进入催化层和反应产物的去除。气体扩散层也被称为多孔传输层。（2）气体泄漏量

除有意排出的废气之外，离开燃料电池模块的所有气体的总和。（3）气体吹扫

从燃料电池发电系统中将气体和/或液体（例如燃料、氢气、空气或水）清除的保护性操作。（4）燃料利用率

参与电化学转化产生电池电流的燃料量和进入电池总的燃料量的比值。燃料电池主要术语7.燃料电池堆由单电池、隔离板、冷却板、歧管和支撑结构组成的设备，通过电化学反应把（通常）富氢气体和空气反应物转换成直流电、热和其他反应产物。8.歧管为燃料电池或燃料电池堆输送流体或从中收集流体的管道。（1）外部歧管的设计是针对摞在一起的单电池，气体混合物从一个中央源被送往大的燃料和氧化剂的进口，该进口覆盖紧邻的电池堆端并用恰当设计的密封垫密封。类似的系统在对面端收集废气。（2）内部歧管是设计在电池堆内部的通道系统，它穿过双极板把气体分配给各单电池。燃料电池主要术语9.面积（1）电池面积

垂直于电流流动方向的双极板的几何面积。电池面积表示为m2。（2）活性面积

垂直于电流流动方向的电极的几何面积。活性面积表示为m2

。活性面积也称为有效面积，用于计算电池的电流密度。（3）电化学表面积

能够参与电化学反应的电催化剂表面的面积。电化学表面积表示为m2。燃料电池主要术语9.面积（4）膜电极组件面积

垂直于净电流流动方向整个膜电极组件的几何面积，包括膜的活性面积和未涂催化剂部分的面积。膜电极组件面积表示为m2。（5）比表面积

每单位质量（或体积）催化剂的电化学表面积或反应物能接触到的电催化剂的面积。比表面积表示为m2/g，m2/m3。燃料电池主要术语10.催化剂（1）催化剂

能加速（增加速率）反应、本身不被消耗的物质。催化剂降低了反应活化能，从而使反应速率增加。（2）催化剂涂层膜

在一个聚合物电解质燃料电池表面涂有催化层、形成电极反应区的膜。（3）催化剂涂层基质

表面涂有催化层的基质。燃料电池主要术语10.催化剂（4）催化层能加速（增加速率）反应、本身不被消耗的物质。催化剂降低了反应活化能，从而使反应速率增加。（5）催化剂担载量

燃料电池中单位活性面积上催化剂的量，要明确是单独阳极或单独阴极担载量，或者阳极和阴极担载量的总和。催化剂担载量表示为g/m2。（6）催化剂中毒

催化剂的性能被物质（毒物）抑制。电催化剂中毒会导致燃料电池的性能下降。（7）催化剂聚结由于化学和/或物理过程使催化剂颗粒结合在一起。燃料电池主要术语11.活化能保证燃料电池正常运行的（和电池/电池堆有关）预备步骤，按照制造商规定的规程来实现。活化可能包括可逆和/或不可逆的过程，取决于电池技术。12.电流（1）泄漏电流

除了短路外，在不需要导电的路径上出现的电流。泄漏电流表示为A。（2）额定电流

制造商规定的最大连续电流，燃料电池电源系统设计在该电流下运行。额定电流表示为A。燃料电池主要术语12.电流（3）电流集流体

燃料电池中从阳极端收集电子或向阴极端传递电子的导电材料。（4）电流密度

单位活性面积上通过的电流。电流密度表示为A/m2或A/cm2。（5）衰减速率

在一定时间内电池性能衰减的比率。

衰减速率可以用来衡量电池性能的可恢复性损失和永久性损失。常用的测量单位是每单位时间伏特（直流）或每固定时间内终值和初值电压（直流）的百分比。燃料电池的主要技术参数03----------------认识燃料电池的性能参数----------------氢气浓度（1）燃料电池使用的氢气的浓度不同类型的燃料电池对氢气纯度的要求不同。电池反应进行的温度越低，对燃料的要求越高。AFC对酸性成分特别敏感，要求彻底消除CO2。氢气中少量的CO会引起PEMFC的催化剂中毒。MCFC的燃料气体中可含有较高浓度的CO，这些CO在MCFC中可全部转换为H2，在MCFC的氧化气体中还要含有大量的CO2，以补偿向另一电极转移的碳酸盐。氢气净化的途径很多，例如使用适当的溶液、半透明膜或分子筛吸附，或经过特殊的化学反应去除杂质。氢气浓度国家标准GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》规定了PEMFC汽车用燃料氢气的术语和定义、氢气浓度、氢气中杂质案例要求及其分析试验方法等，适用于聚全氟磺酸类质子交换膜。质子交换膜燃料电池所用的氢气纯度为99.97%以上，杂质气体可能会对催化剂、电解质等产生影响，造成燃料电池性能的下降。氢气浓度（2）燃料电池系统排放氢气的浓度燃料电池车辆排放浓度也要符合一定的要求。在国家标准《燃料电池电动汽车安全要求》中，提出了瞬时氢气排放浓度不超过8%，且任意3秒内平均氢气体积浓度不超过4%的强制要求。电堆的性能维持需要间歇排气以保证阳极氢气分压或浓度维持在较高水平，又需要标定燃料电池系统排气策略以保证氢气排放符合法规。其它参数2.氧气浓度氧气是燃料电池工作时，内部发生电化学反应时的氧化剂。大部分燃料电池应用使用空气，少部分燃料电池应用使用纯氧。3.电池温度燃料电池工作时的温度，通过温度传感器监测。4.电池压力差从一个电极到另一个电极之间测量的电解质两侧的压力差。电池压力差表示为Pa。其它参数5.电池容量（1）总功率：燃料电池堆输出的直流电功率。总功率单位为W。（2）最低功率：燃料电池发电系统能够连续稳定运行的情况下输出的最小净电功率。最低功率单位为W。（3）净电功率：燃料电池发电系统产生的可供外部使用的电功率。净电功率的单位为W。净电功率是总功率和由辅助系统所消耗的功率的差。（4）额定功率：在生产商规定的正常运行条件下，所设计的燃料电池发电系统的最大连续电输出功率。额定功率单位为W。（5）比功率：额定功率和燃料电池发电系统的质量、体积或面积的比值。比功率表示为kW/kg、kW/m3、W/cm2。其它参数6.单电池或电堆寿命燃料电池在一个基准电流运行条件下，从首次启动到其电压降至低于规定的最低可接受电压时的时间间隔。7.标准条件预定的测试或操作条件，作为测试的基础，以便得到重复、可比的测试数据。典型的标准化条件是指燃料和氧化剂的参数，如组成、流速、温度、压力和湿度，以及燃料电池的温度。其它参数8.电压（1）最低电压

一个燃料电池模块在其额定功率下能连续运行的最低电压或其在最大允许过载条件下的最低电压两者之间的低值。最低电压表示为V。（2）开路电压

燃料电池有燃料和氧化剂但没有外部电流流动时的端电压。开路电压表示为V。也称空载电压。（3）输出电压

在运行条件下，输出电端之间的电压。输出电压表示为V。其它参数9.氧化剂利用率参与电化学反应产生燃料电池电流的氧化剂的量和进入燃料电池的氧化剂总量的比值。氧化剂利用率=（O2in-O2out）/O2in，其中O2in-O2out分别是进口和出口的O2流量。燃料电池的其他性能参数序号性能分类具体性能1总体性能i-v曲线，功率密度2电极反应动力学活化损失，交换电流密度，传递系数，电化学活性表面积3欧姆特性欧姆阻抗，电解质电导率，接触电阻，电极电阻，内部接触电阻4质量传输特性极限电流密度，扩散系数，渗透率，压强损耗，反应物/生成物均匀性5寄生损失漏电流、副反应、燃料泄露、BOP消耗功率6电极结构孔隙率、弯曲率、电导率7催化层结构厚度、孔隙率、催化剂负载、颗粒大小、电化学活性表面积、催化剂利用率、三相界面、离子传导率、电子传导率8流场结构压降、气体分布、电导率9热量热的产生与消耗，热平衡，热应力，热循环性能衰减10寿命问题寿命测试、退化、动态循环、启停、失效、侵蚀、疲劳燃料电池应用04----------------认识燃料电池的性能参数----------------主要应用场景交通应用陆上交通二轮车汽车轨道车水上交通水面船舶潜艇飞行器无人机小型载人飞机固定式发电应用储能系统工业副产氢发电主要应用场景陆上交通氢能二轮车（助力车或摩托车）风冷型小功率电堆（200～5000W）采用金属储氢当前主要为示范性应用丰田Mirai乘用车液冷型氢燃料电池堆，电堆峰值功128kW由330个单元组成主要应用场景陆上交通佛山飞驰生产的氢能公交车液冷型燃料电池佛山高明氢能有轨列车主要应用场景陆上交通佛山飞驰生产的重型牵引车满载49吨下续航400km振华重工生产的燃料电池动力港口机械主要应用场景陆上交通中车大同公司研制机车核心动力使用国电投氢能公司研制的“氢腾”燃料电池设计时速达到每小时80公里满载氢气可单机连续运行24.5小时平直道最大可牵引载重超过5000吨主要应用场景陆上交通英美资源集团在南非的铂金矿MogalakwenaPGM矿山推出全球最大的510吨氢能矿卡，命名为nuGen™由加拿大巴拉德动力系统燃料电池（由8个并联的FCveloCity®-HD100kW燃料电池模块组成）和一个威廉姆斯高级工程公司(WAE)的电池电源模块组成的2MW动力系统，有效载重29