氢燃料电池系统简述.docx

1、氢燃料电池系统简述氢燃料电池系统简述辽宁奥斯福科技有限公司刘爱军、简述氢燃料电池，实际上是一种即时发电系统，通过电解水制氢的逆反应过程产生电，主要原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂住白）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热So对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。如图1二、氢燃料电池系统的主要组成部分2.1电堆堆栈氢燃料电池电堆是氢燃料电池系统的核心构件之一，它决定了电 池系统的功率大小。氢燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠 组合而成。单体电池是由将双极板与膜电极（催化剂、质子交换

2、膜、 碳纸/碳布）组成。若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用 螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。双极板是燃料电池堆栈的关键部件，双极板是由极板和流场组 成。简单来说，双极板就是燃料电池堆栈内的气体通路。双极板的主 要作用是气体分配、集流、导热和密封。双极板是电、热的良导体，具有良好的机械性能，很好的阻气性能，耐腐蚀性好等特点，其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量 比功 率。双极板材质主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨双极板厚度约23. 7mm,经锥床加工成具有一定形状的导流流2.1.2质子交换膜 质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反 应气体的作用。在燃料电池内部，质

3、子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使 得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向 外界提供电流。质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。2.1.3催化剂作为氢燃料电池反应关键，催化层是由催化剂和催化剂载体形成的 薄层。催化剂主要采用Pt/C, Pt合金/C,载体材料主要是纳米颗粒 碳、碳纳米管、碳须等。对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。2. 1.4碳纸/碳布气体扩散层GDL通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用2.2供氢系统供氢系统是燃料电池的燃料来源，它是一个系统性的燃料供应体 系，供氢

4、系统的储氢容量决定了燃料电池的工作时间，和燃料电池 电堆属于紧密配合的关系。系统原理图如下：2.2. 1氢气瓶高压储氢气瓶是氢气的储存容器，高压储氢瓶是燃料电池供氢系统 中的重要储能部件。目前，储氢气瓶主要分为四类，即I型金属气 瓶、II型金属内胆环向缠绕气瓶 I I I型金属内胆全缠绕气瓶和IV 非金属内胆全缠绕气瓶。据了解，鉴于安全考虑，IV型氢气瓶目前 在国内禁止使用，而I型、II型气瓶比较笨重，国内在用的III型 氢气瓶最多。由于为了提高氢气的利用效率，现阶段国内的高压气 瓶主要集中在35Mpa和70Mpa的压力，这样可以提高氢气的储存效 率。2.2.2减压器减压器是一种将高压氢气瓶中

5、的高压氢气减到燃料电池可以接受 并使用的低压氢气的设备。由于燃料电池中的但电池不能承受 35Mpa或70Mpa的高压，所以系统经减压器将35Mpa或70Mpa的高压减到燃料电池接受的1Mpa左右的低压。2.2.3压力传感器压力传感器是能感受供氢系统内的压力信号，并能按照一定的规律将系统内的压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。据。2.2.4加氢口连接在供氢系统上的设备，可与加氢枪连接并进行氢气的传输，常见国内型号为TN1和TN5o2.2.5电磁阀电磁阀是供氢系统的开关阀，在氢气瓶的瓶口阀上集成了该项功 能，除此之外，系统的低压输出管路处还需要一个截断向燃料电池 供应氢气的电磁阀，我们称

6、之为主电磁阀。2.2.6单向阀单向阀是氢气只能沿进气口流动，出气口氢气却无法回流，俗称 单向阀。单向阀又称止回阀或逆止阀。用于气动系统中防止压缩氢 气逆向流动。供氢系统是单向输出氢气的体系，所以在系统中会有 多个单向阀。2.2.7安全阀安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当供氢系统内的氢 气压力升高超过规定值时，通过向系统外排放氢气来防止供氢系统 内氢气压力超过规定数值的特殊阀门。安全阀主要是负责系统安全 的主要部件。2.3空气供应系统燃料电池空气供应系统由空气过滤器、空压机、电机、中冷器、增湿器和膨胀机等组成。空压机的作用是对空气进行增压，根据电堆的输出功率，为燃料 电池提供足够压力和流

7、量的干净空气，满足燃料电池对氧气的需求。 如果将电堆比喻为燃料电池发动机的“心脏“,那么空压机就是乌市 5只有具备强大的肺功能，才能保证心脏的稳定工作。另一方面，空压机也是燃料电池主要的噪音源、振动源，动静之大与 安静的系统中，空气的压力、温度、湿度、流量、洁净程度对燃料电池系统 的性能，成本和尺寸等有很大的影响，同时空压机还是个“电老 虎 ,其所需电量占据了附件所需电量的80%02. 4氢气循环泵氢燃料电池在反应过程中会有部分氢气未能完全反应，那么我们 需要一套氢气循环系统，来保证氢气的二次利用，这样可以保证能源 的最大效率使用，同样可以保证环保。氢气循环系统对整个系统的动 力性、经济性，以

8、及电堆内部水平衡以及膜电极寿命起到至关重要 的作用。三、关键技术难点3.1电堆3.1. 1成本高据美国能源部最新数据显示，以80KW质子膜燃料电池为例，2017年，每生产1000套燃料电池，燃料电池系统的成本达到179 美 元/KW,其中电堆成本达到118美元/KW。以日本的MIRAI为 例，最 大功率达到114KW,其中电堆的成本也达到了 1. 1-1.3万美 元，整套燃料电池系统也需要2万美金。而现阶段国产电堆的价 格，据了解达到了 1万元人民币/KW,系统成本也达到了 1.5万 人民币/KW左右。3.2使用寿命受限据了解国产燃料电池寿命实际工况也就在2000-3000小时左右，影响因素有

9、很多，例如电池电压变动（使用环境影响），碳和硫 的纯3. 2供氢系统中的氢气瓶目前中国氢行业生产的氢瓶多为三型35兆帕，但丰田等公司已经到了四型70兆帕，储氢能力受限，影响了燃料电池的续航。压力 受限的带来的后果是大容量储氢必然会导致气瓶的体积、质量提高等不利因素。3.3空气供应系统中的空压机3.3. 1成本大空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20%,能耗约占燃料电池输出功率的20%左右，占辅助系统总能耗80%o3.3. 2要求高适用于燃料电池的空气压缩机需要满足以下要求：(1)无油。润滑油会使电堆发生中毒，因此空气压缩机需要采用水润滑轴承或空气轴承；电池系统的性能；(3)小型化和低成

10、本。燃料电池受其功率密度和成本的限制，小 型化和低成本有助于燃料电池汽车的产业化；(4)低噪声。空气压缩机是燃料电池系统最大的噪声源之一，空 气压缩机的噪声必须被控制；(5)喘振线在小流量区。可以实现燃料电池在小流量高压比工况下高效地运行；(6)良好的动态响应能力。当需求功率发生变化时，空气流量和 压力需无延迟地进行调整，以跟踪输出功率的变化四 辽宁奥斯福科 技氢能规划4.1储氢基础高压储氢气瓶，常规和发常规产品定制研发，主要以35Mpa为主碳纤维全缠绕铝合金内胆储氢气瓶，在车载、无人机和移 动电源 领域为主要应用场景。4.2运氢50Mpa大容量气瓶和45Mpa集装格存储的研发，主要是响应国家在储运方面的技术研发要求，应用场景为未来的道路运输4.3加氢45Mpa大容量及集装格缓冲加注，应用场景为固定式加氢站。