《新能源材料与器件》课件-任务4 燃料电池的设计

模块三

氢能材料与器件任务4燃料电池设计知识目标:熟悉各种燃料电池类型的特点，如质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、甲醇燃料电池等。能力目标:1.能够依据应用需求进行燃料电池初步设计，包括选择适合的材料和关键参数。2.掌握计算燃料电池性能（如电压、电流、效率等）的基本方法。

素质目标：1.学会清晰地表达设计思路与结果，撰写技术报告和展示。。2.激发对新技术和材料探索的兴趣，关注燃料电池领域的最新研究和发展动态。

任务4燃料电池的设计燃料电池设计1.设计目的1.掌握燃料电池的基本原理；2.掌握燃料电池的基本构造；3.掌握燃料电池关键材料知识；4.掌握核心器件的设计方法；5.能够根据给定条件完成燃料电池设计。燃料电池设计2.设计原理在众多新能源中，氢能作为新能源具有能量密度高、绿色及可再生等特点，在实现碳中和的过程中起到重要作用。而燃料电池，特别是以氢作为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC），其能源转化效率理论上可高达83%，而且整个发电过程安静，产物为水，几乎没有污染物排放，具有可循环再生等优点。1.燃料电池原理燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，发电时不产生环境污染和噪声污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便。其优点包括：高效、环境友好、安静、可靠性高。燃料电池设计2.设计原理2.燃料电池构成燃料电池设计2.设计原理3.燃料电池关键材料（以质子交换膜燃料电池为例）（1）质子交换膜Nafion（2）催化剂

贵金属Pt及Pt基材料（3）气体扩散层材料

碳纸（4）双极板

石墨、金属和复合双极板（5）密封件

硅橡胶或氟橡胶（6）其他

如端板；不锈钢。燃料电池设计2.设计原理4.燃料电池应用

燃料电池作为电池的一种，具有常规电池的基本特性，即可由多台电池按串并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池既适宜用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。燃料电池设计2.设计原理（1）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池工作温度低、转换效率高、功率密度高、可快速启动且环境友好，并可按负载要求快速改变输出功率，是中小型电站、固定式（如通信基站）主备用电源、家用热电联供系统、电动车、不依赖空气推进的潜艇及飞行器的最佳动力源，如下图1、图2、图3、图1：质子交换膜燃料电池汽车燃料电池设计2.设计原理图2：质子交换膜燃料电池备用电源燃料电池设计2.设计原理图3德国U214型质子交换膜燃料电池潜艇燃料电池设计2.设计原理（2）直接甲醇燃料电池作为移动电源以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池用于单兵电源、笔记本电源及小型便携式电源等，如图4。图4直接甲醇燃料电池作为移动电源燃料电池设计2.设计原理（3）碱性燃料电池作为航天飞行器的电源以KOH为电解质的碱性燃料电池是最早获得应用的燃料电池，曾作为Apollo登月飞船的主电源，此外，在潜艇中也得到了应用。图5碱性燃料电池作为航天飞行器的电源燃料电池设计2.设计原理（3）碱性燃料电池作为航天飞行器的电源碱性燃料电池应用在航天飞行器和潜艇中，在地面上可以应用吗？为什么？碱性燃料电池的最大缺点是对燃料纯度要求太高而且不能使用含co2及co的燃料气，从而限制了这类电池在地面上的应用。燃料电池设计2.设计原理（4）磷酸盐燃料电池固定电站

以磷酸为电解质的磷酸盐燃料电池已相对成熟，主要用作分布式电站，并实现了商业化应用。至今，已有上百台美国UTC公司的PC25（200KW）磷酸盐燃料电池作为分散电站在世界各地运行，如下图。燃料电池设计2.设计原理（5）熔融碳酸盐燃料电池固定电站

熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤或天然气作燃料，适宜于建造区域性分散电站。将它的余热发电与利用均考虑在内，燃料的总热电利用效率可达60%-70%。目前，熔融碳酸盐燃料电池在美国等国家已经进行了兆瓦级大规模的示范和应用。寿命基本上在四万小时以上，如下图所示。燃料电池设计2.设计原理（6）固体氧化物燃料电池

由于高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种燃料电池不能应用于要求在短时间内频繁启动的各种实用装置。因此，固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造大、中型电站，如下图所示。燃料电池设计3.设计训练要求1.主要设计内容在了解燃料电池的工作原理、器件及相关材料的功能后，可着手进行燃料电池的设计。对于不同类型燃料电池，其反应机制及结构会有微小差别，在设计时需要统筹考虑。（1）燃料电池的基本原理（2）燃料电池单电池的构成（3）膜电极的设计（4）燃料电池流场设计燃料电池设计3.设计训练要求2.关键技术

燃料电池是一个多尺度、动态复杂系统，燃料电池设计具有系统性和复杂性，需要熟悉并掌握燃料电池专业知识，对燃料电池有一个系统、整体了解。燃料电池反应原理虽然简单，但实现燃料电池高效发电，需要对燃料电池进行细致的设计，包括水管理、热管理、气管理、三相界面设计及膜电极和流场设计等、细节决定成败，如果缺失其中的一环，燃料电池就不能发电或发电效率低下。燃料电池设计3.设计训练要求3.设计原则与步骤主要采用先整体后细节的方法。具体设计步骤如下：（1）燃料电池宏观设计a.燃料电池反应过程及工作原理图设计。应包含反应物、反应产物、反应热的排出，在阴极与阳极间穿梭的离子（质子或氢氧根）及外电路电子的迁移，可另考虑阴极增湿的情形。b.燃料电池结构图设计。应包含离子交换膜、阴阳极（催化层）、气体扩散层、流场板、密封件、绝缘层、端板、外电路、负载等部分。燃料电池设计3.设计训练要求（2）燃料电池核心器件设计a.膜电极设计。膜电极（MEA）是燃料电池的最核心部件，根据组件的不同及需要，可分别有MEA7、MEA5及MEA3（CCM）三种类型。设计过程不可缺少固体电解质膜及其两边的催化层。b.流场设计。主要是设计双极板表面的流场板图。应以尽量降低压差、提高可加工性及简单实用为原则。燃料电池设计3.设计训练要求（3）燃料电池单电池组装以质子交换膜燃料电池为例，将上述设计好的单个膜电极、流场板等核心器件，密封件、集流板、绝缘片和端板等与其他部件进行组装就可以获得燃料电池单电池。（4）燃料电池堆设计首先要考虑燃料电池的具体应用场景及性能指标，以确定燃料电池电堆设计的边界条件。然后，开展电堆的详细设计过程，包括模拟计算、燃料电堆各组件的选材、尺寸以及膜电极数量、电堆封装方式等。燃料电池设计3.设计训练要求（5）负载设计

根据燃料电池的类型及用途（如燃料电池电动汽车、摩托车、自行车、移动电源、固定电站、飞行器、照明、备用电源等）选择适合其应用的负载。以燃料电池驱动的电动车为例，将燃料电池（堆）放入到上述汽车中，作为发电机提供电力，如下图所示。燃料电池设计3.设计训练要求设计任务题目燃料电池反应过程示意图绘制（描述氢气在阳极和氧气在阴极的化学反应过程）。燃料电池工作原理基本框架设计（绘制燃料电池的工作流程流程图）。燃料电池结构总体方案设计（确定燃料电池的主要结构布局及组成部分）。质子交换膜材料选择与性能分析（比较不同膜材料的导电性和耐久性）。电极材料选型与优化设计（选用合适的催化剂和电极材料，提高催化效率）。燃料电池膜电极组件设计方案（设计膜电极的结构及其连接方式）。燃料流场局部结构设计（设计单个流场的通道布局以优化气体流动）。流场分布均匀性分析（保证气体在电极上的流速均匀）。单电池组装模型设计（确定单个电池的装配方式和连接方式）。串联与并联连接方式对性能的影响分析（分析电池串联和并联的优劣）。燃料电池设计3.设计训练要求设计任务题目11.燃料电池堆布置方案设计（设计多电池单元的整体堆叠结构）。12.燃料电池热管理方案设计（确保堆内温度的均匀分布和控制）。13.电池负载匹配方案设计（优化燃料电池输出与负载的匹配）。14.电池电压和电流最佳工作点确定（找出燃料电池的最佳工作条件）。15.燃料电池系统的安全性设计（考虑安全防护措施和安全评估）。16.燃料供应系统设计方案（设计氢气及氧气的供应和存储系统）。17.废气排放处理方案设计（确保排放的环保和排放效率）。18.燃料电池测试方案制定（设计性能指标测试流程）。19.可靠性和寿命预测方