燃料電池設計
關注創建者：顧曉龍 創建時間：2015-08-19
燃料電池設計的視頻教程
燃料電池發動機技術現狀與展望
關于燃料電池汽車發動機技術現狀與展望 為什么發展燃料電池技術 燃料電池發動機技術現狀 燃料電池發動機技術挑戰與展望 EPLAN在燃料電池發動機設計中的應用
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氫能燃料電池汽車發展的機遇與挑戰
本視頻中，歐陽明高院士介紹了面向能源革命的新能源汽車愿景，讓大家更清楚了解氫燃料電池汽車在整個新能源革命中的位置；以及清華團隊在氫燃料電池方面做的探索和實踐；中國燃料電池汽車技術路線圖2020年版。
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基于Fluent的固體氧化物燃料電池(SOFC)建模
采用Fluent SOFC模塊進行固體氧化物燃料電池建模 采用ANSYS meshing 網格劃分并定義邊界 采用fluent 和sofc模塊完成燃料電池單流道仿真計算
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燃料電池設計的實例教程
其中，燃料電池系統包含燃料電池、燃料電池輔助裝置和DC/DC 變換器，通過DC/DC 變換器、燃料電池系統與動力電池組成串聯混合動力系統；液氫儲供系統向燃料電池供氫，主要包含液氫瓶、復合汽化器、緩沖罐、揮發氫氣回收系統和氫系統控制器等部件；電驅動系統包含4 個相同的輪轂電機獨立驅動電動輪和兩個驅動橋控制器，每個驅動橋控制器上集成了同橋左右兩側電機的電機控制器，兩套電機控制器共用低壓邏輯單元和冷卻水路。
所開發的動力系統總成具有以下特點和優勢：
（1）驅動高效率：分布電驅動系統可以最大限度地提升驅動效率；
（2）燃料電池高效率：串聯混合動力系統使燃料電池輸出功率與整車功率需求解耦，燃料電池系統可以穩定工作在高效區；
（3）高動力性：動力電池系統可以提供系統所需的瞬時高功率，快速響應整車動力需求［20］。為節省底盤布置空間，動力電池電量相對較小（＜100 kW·h）而峰值功率較大（＞500 kW），因此采用大倍率功率型電池；
（4）熱管理高效率：液氫系統不僅可以提升儲氫密度，通過綜合熱管理，利用液氫揮發吸熱能力還能消納燃料電池系統的部分散熱壓力。
1.2 整車設計參數與動力系統參數匹配
針對典型重型商用車性能需求［21］，所設計的35 t和49 t級燃料電池重型商用車的基本參數如表3所示。
表3 燃料電池重型商用車設計參數與性能指標
1.2.1 燃料電池系統參數設計
由于目標車型的高速、重載和車輛加速制動頻繁的特點，為保護燃料電池的耐久性，適應燃料電池系統相對較低的響應速度，采用燃料電池系統提供車輛行駛的穩態輸出功率，瞬態大功率需求由動力電池系統補足的策略。這一策略可以保證燃料電池系統工況平穩、提高系統效率和整車的動力性與動力學響應速度。
展開 乘用車用燃料電池系統安裝在發動機艙內，路面載荷以及電機等載荷均會對其結構強度產生一定的影響。因此，同動力電池系統一樣，從機械振動、機械沖擊和碰撞3個角度來考核燃料電池系統的機械負荷能力。
目前國家標準以及國際標準均沒有針對燃料電池系統的振動功率譜以及沖擊量級的定義，可以用實車采集的振動譜作為振動沖擊試驗條件來開展試驗。
氣候負荷主要考慮溫濕度以及海拔這類環境條件對燃料電池系統的影響。因此，用高溫存儲和低溫存儲試驗來模擬燃料電池車在高溫和低溫環境下停車靜止后的性能情況；低溫冷起動特性是燃料電池系統設計研發中的關鍵特性，也是設計難點，因此，必須設計低溫冷起動試驗來模擬低溫邊界條件下的起動性能，目前國標燃料電池整車和燃料電池系統的低溫冷起動試驗方法均在研究當中；用高溫運行和低溫運行來模擬燃料電池系統在高溫和低溫設計邊界上的運行性能情況；海拔越高，空氣中的氧氣越稀薄，氧氣作為燃料電池系統的反應氣體之一，其含量的多少對于燃料電池系統的功率特性有著很大的影響，可以設計高海拔運行來驗證燃料電池系統在高原場地的運行性能；另外，溫濕度循環還會使燃料電池堆凝露，并會對一些電器件的產生影響，但考慮到實際操作的難度，可以考慮用零部件氣候替代整車相關試驗。
電氣負荷可以根據燃料電池系統的特性來定義其工作模式和功能狀態等級，結合可操作性開展相關電氣負荷試驗項目，對于無法開展的可以考慮用零部件替代的方式進行。而燃料電池系統的化學負荷的驗證完全可以用零部件來替代。
另外，燃料電池車作為1種新能源汽車，電磁是重要的也是不可避免的環境因素。燃料電池系統有著燃料電池控制器、大量的高低壓線束以及CAN通訊線纜等，抗電磁干擾能力應該是重要的考核項，因此電磁兼容試驗（即EMC試驗）必須納入燃料電池系統環境可靠性驗證體系中。
展開 來源 | Journal of Cleaner Production
01
背景介紹
電動汽車 (EV)，包括純電動汽車 (BEV) 和燃料電池汽車 (FCV)，被認為是汽車應用中實現零碳排放和新能源利用的有前途的解決方案。盡管 BEV 技術和市場化的持續高速發展，但 FCV 的技術發展具有強大的動力，主要是因為它們在行駛距離和充電時間方面優于BEV；在眾多類型的燃料電池 (FC) 中，質子交換膜 (PEM) 燃料電池 (PEMFC) 之所以受到青睞，主要是因為它們的工作溫度低（約 80 °C），可以使車輛快速啟動。
PEMFC在發電的同時，會產生幾乎等量的熱量，這些熱量需要從PEMFC中釋放出來，否則可能會發生熱失控。適當的升溫會改善電化學反應的動力學，但過熱不僅會使膜脫水，降低質子電導率，還會大大加劇膜和催化劑的降解，造成不可逆的性能損失和PEMFC的損壞。考慮到電化學反應、水平衡和氣體傳輸，PEMFC 的合適工作溫度范圍在 60 °C 和 80 °C 之間。因此，熱管理系統 (TMS) 對于 FCV 燃料電池堆 (FCS) 的正常運行至關重要；此外，輔助動力電池、電動機、電子元件、機艙空氣和供應給 PEMFC 的壓縮空氣都需要合適的冷卻和加熱回路。為燃料電池汽車設計一個綜合熱管理系統（ITMS）是一個重要的問題。
與純電動汽車和內燃機（ICE）汽車（ICEV）不同，燃料電池汽車在 ITMS 布局方面面臨更嚴峻的挑戰。由于鋰離子電池的效率高于 PEMFC，BEV 釋放的熱量遠低于 FCV。
展開 我國已經開展了燃料電池相關研究,在基本性能方面與國際先進水平的差距不大,但在關鍵材料及工藝、關鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面,仍有明顯差距。
空壓機為燃料電池系統提供壓縮空氣。常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據設計目標全新設計;(2)對現有葉輪進行設計優化。
全新設計葉輪需要根據設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數,再通過三維設計軟件對性能進行優化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。
展開 在國家政策的推進以及新能源技術的發展下，燃料電池在新能源汽車領域的應用越來越成熟。前面兩期技術貼，詳細介紹了AVL三維仿真分析軟件FIRE可以方便、高效地對燃料電池的性能、膜電極材料選型、水熱管理以及燃料電池老化進行仿真分析，為燃料電池的設計和優化提供可靠、有效的指導。
隨著開發要求的進一步提高，燃料電池三維仿真已經逐漸從燃料電池單體向燃料電池堆棧覆蓋，尤其針對整體的冷卻通道和氣體通道壓損及流動均勻性設計對燃料電池堆棧性能及水熱管理的影響，必須要建立完整的堆棧模型進行仿真。然而用常規方法對燃料電池堆棧進行建模，由于整體結構復雜，尺寸差異較大，最終生成的模型網格數量非常多，網格質量也很難保證，計算代價將會非常大。
針對以上問題，AVL獨創均勻通道模型方法，采用多孔介質模型替代真實的氣體通道結構，可以極大的簡化整體網格數量，提高計算效率，實現對燃料電池堆棧的仿真。本期技術貼，將對均勻通道模型方法進行詳細的介紹。
如果想要了解更多，請與我們聯系:
ast.china@avl.com
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燃料電池設計的最新內容
本文原刊登于Ansys.com：《How Simulation Boosts Efficiency in EV Battery Manufacturing》
作者：Laura Carter | Ansys 高級市場傳播經理
編輯整理：陳桂杰 | Ansys主任應用工程師
Ansys助力解決固態電池解決方案的迫切需求
電池工藝商面臨的一項持續挑戰是尋求更安全、更高效的鋰離子電池替代品
參考案例-多相流體-離散多相：翼型結冰
· 燃料電池汽車 (FCEV)：模擬燃料電池堆內部的化學反應、流動、傳質和傳熱過程，是燃料電池設計的核心工具。
參考案例-電化學-固體氧化物燃料電池
· 自動駕駛與傳感器清潔：模擬激光雷達、攝像頭等傳感器表面的污染情況，并設計高效的清潔噴嘴。
引 言
近年來，新能源汽車行業呈爆發式增長，已然成為全球能源轉型與汽車產業升級的核心方向。在新能源汽車中，電池系統占據核心地位，作為電池系統重要組成部分的電池盒，也發揮著不可或缺的作用 。目前，電池盒鋁合金框架結構主要通過焊接裝配的方式進行組裝，焊接變形問題不容忽視。若采用傳統試錯方式來解決焊接變形問題，會面臨時間周期長、試錯成本高、數據收集困難等諸多難題。當前不少新能源汽車企業采用焊接仿真來分析解決焊接變形
大家好，小鄰很高興跟大家見面啦！從4月起，技術鄰將會定期為大家開放“討論有獎”頻道，此頻道將會緊密結合實時熱點，行業快訊。歡迎大家踴躍參與，獎品多多哦！ 此篇開始，建議先點個收藏，方便學習回看哦~
前言
?? 政策速遞：就在本月，工信部正式發布GB 38031-2025新規，動力電池安全標準全面升級！ 新增強制項包含底部撞擊測試、快充循環后安全測試；這次從"5分鐘逃生
如何實現高質量產品研發和創新，是當下電池儲能企業的重要議題。作為業界優秀的產品設計軟件，NX一直致力于為電池儲能行業提供強大的設計支持。
3月6日 ， 在即將舉辦的 "技術賦能，創新引領-NX助力電池儲能企業高效創新"在線研討會上，全面展示NX最新技術進展，并帶來NX在新能源行業高效支持研發創新的各項舉措，以幫助電池儲能企業實現高質量發展的愿景。 參會可得
背景與挑戰
新電池產品推向市場的過程是非常復雜和耗時的。研發過程漫長，包括使用第一性原理模擬來發現新的電化學設計的實驗設計（DoE），這些設計在實驗室中通過物理試錯的方式進行測試。電池制造過程中的許多步驟不僅會影響廢品率，還會影響電池的性能。因此亟需新的解決方案，實現以下的功能要求：
? 使研發部門能夠通過模擬新電池設計的電化學性能來減少昂貴的實驗室測試，加速先進電池技術的發現；
電動汽車以電能為能源，將所需的電能存儲在動力電池系統中。動力電池包是電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，是新能源汽車的動力源泉。
汽車電池包線束是動力電池系統電路的網絡主題，主要分為動力系統高壓線束和動力系統低壓線束。
一般的電池包低壓線束承載著模組通信、模組采樣和電池管理等功能。電池包低壓線束一般分為模組通信線束、模組采樣線束、BMS線束等。這里結合實際工作中的經歷和遇到的困擾
全球市場新格局下，電池產業亟待加速新技術/新產品的開發管理、高效的設計/仿真一體化能力、以及更精準的碳排放/ESG碳管理等，達索系統致力于推動全球可持續發展的應用和實踐，一直以來，與電池行業先鋒客戶通過數字化手段，幫助企業實現快速發展和快速創新，共同推動電池產業成果的產業化進程。
達索系統憑借動力電池和新能源方面的專業知識及強大虛擬孿生技術，耕耘新能源行業，在電池技術的發展和應用解決方案的數字化提供諸多方案
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達索2024探索之旅第二季系列會議“達索系統賦能新電池產業鏈數字仿真一體化協同解決方案
<p>氫能有望減少溫室氣體排放，并幫助在 2050 年實現凈零碳排放目標。在面對能源供應和低碳排放目標的雙重壓力下，氫能作為綠色新能源產業愈發受到重視，采用可再生能源電解水制氫并作為燃料供給燃料電池，成為氫能綠色應用的典型方式。</p><p>Ansys CFD產品提供專門的電解制氫和燃料電池仿真模塊，可對質子交換膜電解水、堿性電解水、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等多種氫能生產及利用過程進行仿真模擬
