影响车用燃料电池发动机寿命的因素分析.docx

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影响车用燃料电池发动机寿命的因素分析

摘要

能源和环境问题一直受到大家的关注。

在汽车领域中，氢燃料电池汽车因其高效、清洁等优点被看作新能源汽车的重要发展方向之一。

但因为燃料电池系统耐久性和成本方面还未达到商业化目标，使它的发展受到制约。

汽车上通常用的燃料电池是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

本文通过分析文献资料，对影响PEMFC寿命的因素进行分析。

发现汽车动态响应过程对其寿命有着十分重要的影响。

在汽车变载的过程中，由于负载变化，导致汽车内部反应气体压力、温度等发生变化，对燃料电池系统性能会产生一定的影响。

并且反应的产物水需要受到合理的管理，否则会对内部反应造成影响，还可能对内部部件造成腐蚀，使燃料电池的性能衰减，减少了燃料电池的使用寿命。

燃料电池系统内部的杂质也会对其性能有损害，主要表现在气体扩散层的堵塞和催化剂中毒两方面，所以应减少杂质的带入。

除了对影响燃料电池发动机的寿命因素进行分析之外，本文还对燃料电池的动态响应过程进行了简单的建模和仿真分析。

利用Simulink进行模型搭建，主要分析了负载变化时的电压响应情况，同时也对温度变化和压力变化时的电压响应情况进行了分析。

由于时间关系，没有进行实验，而且查找资料也没有找到合适的方程可以表示变载过程中的气体变化情况，所以仿真得到的曲线并不理想，没有出现实验中会出现的下冲现象。

但除此之外的其他仿真结果趋势皆符合实验结果。

关键词：

车用质子交换膜燃料电池；寿命；动态响应

AnalysisontheFactorsAffectingtheLifeofVehicleFuelCellEngine

Abstract

Energyandenvironmentalissueshavebeentheconcernofeveryone.Inthefieldofautomobiles,hydrogenfuelcellvehiclesareseenasanimportantdirectionforthedevelopmentofnewenergyvehiclesbecauseofitshighefficiency,cleanandotheradvantages.Butthedurabilityandcostoffuelcellsystemshasnotyetreachedthecommercialgoal,sothatitsdevelopmentisconstrained.

Thevehicleusuallyusedareprotonexchangemembranefuelcells（PEMFC）.InthisarticlewillanalysisonthefactoraffectingthelifeofPEMFCbydocumentliterature.Itisfoundthatthedynamicresponseprocessofautomobilehasaveryimportantinfluenceonitslife.Intheprocessofvehicleloadchanges,duetothechangesofload,resultinginthechangesofinternalgaspressure,temperatureandotherchanges,whichwillhaveacertainimpactontheperformanceoffuelcellsystems.Andtheproductofthereactionneedstobeproperlymanaged,otherwiseitwillaffecttheinternalreaction,alsomaycausecorrosionofinternalcomponents,leadtoattenuationoftheperformanceoffuelcell,reducingthelifeoffuelcell.Theimpuritiesoffuelcellsystemwillalsodamageitsperformance,mainlyreflectedintheblockingofthegasdiffusionlayerandthepoisoningofcatalyst,soitshouldreducetheimpuritiesthatarebroughtin.

Inadditiontoanalysisthefactoraffectingthelifeoffuelcellengine,inthisarticlealsomakesasimplemodelingandsimulationofthedynamicresponseprocessofthefuelcell.UsingSimulinktobuildthemodel,themainworkisanalyzedthevoltageresponsewhentheloadchanges,alsoanalyzedwhentemperaturechangesandpressurechanges.Becausethereisnotenoughtime,thereisnoexperiment,anddidnotfindappropriateequationcanexpressedinthechangesofgas,sothesimulationcurveisnotideal,didnotappearthedownphenomenonastheexperiment.Inaddition,othersimulationresultsareconsistentwiththeexperimentalresults.

KeyWords：

Vehicle’sprotonexchangemembranefuelcell；lifetime；dynamicresponse

引言

汽车早已成为人们出行的一项重要交通工具，随着人们经济实力增加，汽车使用量增多，也引起了一系列的环境问题和能源问题，不仅给人们的生活环境带来了负担还威胁着人们的健康。

在环境问题方面，近年来，越来越频繁的雾霾天气引起了大家对环境问题的关注，而产生雾霾的原因之一就是汽车的尾气污染。

汽车尾气中含有许多有害物质，其中对环境危害最大的主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物以及固体悬浮颗粒等。

并且由于汽车越来越多，大量的汽车尾气集中排放，使城市环境变得越来越差。

作为温室气体的二氧化碳，一旦被过量排入大气中，就会破坏臭氧层，然后引起温室效应，并且还可能引发热浪、洪涝、干旱等灾害。

同时，温室效应还会引起冰川融化、水位上涨以及厄尔尼诺现象等对人类生存不利的挑战。

排放的尾气中含有的酸性气体二氧化硫和氮氧化物在大气中一旦达到一定的浓度还会产生酸雨，不仅污染土壤，影响植物生长，破坏生态系统的平衡，还具有腐蚀性，可以腐蚀建筑材料和金属构件等。

除此之外，氮氧化物和碳氢化合物在大气中受到强烈的紫外线照射后，会发生化学反应形成光化学烟雾。

形成的光化学烟雾会降低大气能见度，并且破坏生态环境，而且对建筑物也会造成相当严重的腐蚀。

除了对环境造成这些不利影响之外，汽车尾气中所含的一些物质如一氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等也会对人体健康造成不利影响。

这些有害物质如果随着人们的呼吸被吸入体内，容易引发呼吸道疾病和鼻黏膜病变等多种疾病，威胁着人们的身体健康。

汽车尾气中还含有大量的铅元素，它具有一定的致癌性，这些物质随着尾气排放遍布在空气中，会对人体产生持续性的刺激，不断威胁人体健康，严重时可能引发癌症病变[1]。

在能源问题方面，由于传统内燃机动力汽车使用的主要是汽油机和柴油机，它使用的燃料汽油和柴油都是不可再生能源。

而石油资源是有限的，为了缓解随着石油消耗增加而造成的石油资源匮乏的现状，就需要寻找可替代的新型可再生能源。

为了降低能源消耗并且解决环境污染的问题，新能源汽车由此出现在人们的视线中。

最近十几年，各国都纷纷开始进行新能源汽车方面的研发工作。

新能源汽车指使用除汽油和柴油之外的非常规的车用燃料作为动力来源（或者使用常规的车用燃料但采用新型的车载动力装置），综合车辆的动力控制以及驱动方面的先进技术，形成的技术先进的汽车[2]。

它被认为能够减少空气污染并且可以缓解能源短缺的现状。

新能源汽车可以大致分为以下五类[3]。

（1）纯电动汽车（BEV，BladeElectricVehicles）是一种在能源形式上彻底革新的新能源汽车。

它使用的是由蓄电池提供的电能，绿色环保且无尾气排放，在节能环保和维护保养方面与传统汽车相比有较大的优势[2]。

但因其单位重量储存的能量少，为了使其能够给汽车提供足够的能量驱动汽车行驶，它的尺寸和重量一般都会偏大。

还有一个原因是蓄电池的续航里程短且蓄电池价格比较贵，纯电动汽车所需的制造成本与传统汽车相比会较高。

而且在行驶时，它虽然没有污染物产生，但其能源是通过电力得到的。

电力的来源以火力发电为主，而火力发电仍旧会对环境造成比较大的污染。

这些因素都限制了纯电动汽车的发展[4]。

（2）混合动力汽车（HEV，HybridElectricVehicle）其动力由内燃机和蓄电池共同提供，虽然在一定程度上减少了石化燃料的污染，且解决了蓄电池续航里程短的问题，但是仍旧需要使用传统的燃料。

并且由于整车有多个动力源，其结构会相对复杂，制造成本也因此远高于传统汽车。

（3）氢发动机汽车是以气体氢代替传统燃料作为汽车燃料的汽车。

与传统使用汽油或柴油的发动机相比，它排放的是纯水，不产生其他的污染，真正实现了零排放。

现在也有许多企业进行氢燃料发动机的研究。

但它还存在一些急需解决的问题，如存在早燃、回火及爆震等不正常的燃烧现象，且输出功率与汽油机相比偏低，空燃比高于0.5时氮氧化物的排放量会升高等[3]。

（4）燃料电池汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）通常是通过氢气和氧气的电化学反应产生电能。

在电化学反应中，氢气为还原剂，氧气为氧化剂。

与传统的内燃机动力汽车、混合动力汽车及纯电动汽车相比，燃料电池汽车具有更高的效率及更低的二氧化碳排放。

而在另一方面，采用高压储氢技术可以使其达到与传统汽车相当的续航里程。

相比传统蓄电池，燃料电池不受热能卡诺循环限制，相比锂电池则具有更高的能量密度和更短的充电时间等明显优势。

因此，燃料电池汽车未来发展空间巨大，也被看作新能源汽车的重要发展方向之一[5]。

（5）其他新能源汽车有使用超级电容器、飞轮等高效储能器的汽车。

而超级电容汽车由于其能量密度低，很难满足整车的需求，所以一般只是作为辅助蓄能器。

综上所述，混合动力汽车是目前最具有可行性的新能源形式，纯电动汽车是新能源汽车发展的趋势，燃料电池汽车是新能源汽车技术长期发展的重要补充[2]。

本文研究课题是“影响车用燃料电池发动机寿命的因素分析”，而燃料电池发动机是指用于汽车动力的燃料电池发电系统[5]。

在燃料电池汽车中，质子交换膜燃料电池（PEMFC，ProtonExchangeMembraneFuelCell）由于其高效、清洁等优点，在车用动力来源中被看作是最有潜力的一种