燃料電池設計的案例
清華丨新型分布式驅動液氫燃料電池重型商用車設計、分析與驗證
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 乘車用燃料電池系統驗證體系研究
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 用于燃料電池汽車的新型熱管理系統
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 FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計
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 
【技術貼】燃料電池堆棧三維仿真計算量太大跑不動？——AVL FIRE獨創均勻通道模型為您助力
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
展開 燃料電池汽車整車控制策略設計
如圖4試驗數據可以看出，當車輛啟動時（17500-17800S），由于燃料電池需要一些啟動準備，動力電池提供整車需求功率，燃料電池的功率為0。
燃料電池啟動（17800S）后，整車需求較小時主要由燃料電池提供整車需求功率，同時燃料電池給動力電池充電，動力電池功率為負。
當整車需求功率較大時（18000s），燃料電池提供的功率35kw小于整車需求功率80kw，動力電池和燃料電池同時提供功率，滿足整車需求。
松油門時（18081-18098S），如圖5，由于燃料電池功率的特性，不能及時收回所有功率，所以一部分功率同制動能量回收功率一同給電池充電，動力電池功率為負。
5結語
通過標定試驗數據，可以看到燃料電池基本保持在功率在合理的范圍內，啟動次數少，工作區間優，燃料電池適時的給動力電池補電，使動力電池SOC穩定在一個合理的范圍內。通過實車驗證了所設計的能量管理策略符合預期設計。
展開 新能源汽車講解丨燃料電池與車用燃料電池(PEMFC)
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韓國燃料電池商業化取得重大進展 陶瓷燃料電池亮相
近日，韓國科學和信息通信技術部表示，Jong-Ho Lee博士和Ho-Il Ji博士在高溫能源材料研究中心開發了一種質子陶瓷燃料電池（PCFC），可在漢陽大學Dong Wook Shin教授的幫助下實現商業化。
固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高能量轉換效率和使用各種燃料的能力而受到極大關注，并且PCFC尤其成為人們關注的焦點，與傳統SOFC相比，期望在更低的工作溫度下具有高性能。然而，在多孔電極上制造薄而致密的電解質的困難主要源于質子傳導電解質的耐火性質，這阻礙了PCFC的商業化。
KIST研究團隊與漢陽大學的研究團隊合作，提高了PCFC的性能，同時開發了一種以商業化規模生產細胞的方法。在開發過程中，團隊系統地對一個過程進行了方法化，使電解質－電極組件內的電解質熟悉，并降低了生產過程溫度，這是世界首創。
整個過程還采用了微波程序和絲網印刷方法，這些方法由于較高經濟效率，滿足了實際生產。
PCFC厚度為5μm，表面積為5x5cm2的電解質層組成，相較之前性能提高了12倍。由于性能是在實際應用條件下進行的，因此它為燃料電池商業化的可能性提供了明確的證據，得到了專家和行業的廣泛認可。
Jong－Ho Lee博士表示，“研究結果不僅可以應用于簡單的能源生產，還可以應用于燃料生產、保護以及其他各種相關領域和行業，有望成為改善未來可再生能源供應的基石。”
展開 微量氧氣燃料電池傳感器檢測燃料電池式氧氣體分析儀中的氧含量
燃料電池是一種通過使燃料氣體和氧化劑氣體發生電化學反應而將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉換成離子態，再通過電解質的傳遞最終與陽極發生化學反應。反應物之一是樣氣中的氧，另一反應物是存儲在電池中的陽極，綜合反應是樣氣中的氧分子和陽極發生氧化反應，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應類似于燃料電池的反應機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學反應中，陽、陽極之間發生電子遷移，如用導線將共連接，將會有電流產生，該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數量成正比關系，因此只要準確測量出陽、陽極之問的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學能轉換成電能的裝置，一般由陰極、陽極和電解質等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測量微量氧，也可用于測量常量氧(區別在于滲透膜的厚度）。但在測量常量氧時其測量精度和長期使用的穩定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場所。但在測量微量氧時，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優勢，測量下限可達 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應用于專業的高純氣體生產以及對氧含量需精準控制的電子生產廠家等。
事實上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護的。但是在使用過程中，需要經常校準，確保其測試的準確性工采網推薦美國AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開 車用燃料電池耐久性的解決策略 附燃料電池衣寶廉下載
車用燃料電池關鍵材料
材料創新是取得燃料電池耐久性的最終解決方案。國內外主要從電催化劑及載體、聚合物膜、膜電極組件以及雙極板等燃料電池關鍵材料入手，進行高耐久性材料的研究。
膜電極組件
膜電極組件(MEA)是燃料電池的核心部件，它的設計與制備對燃料電池性能與穩定性起著決定性作用。目前，國際上已經發展了三代MEA技術路線：一是把催化層制備到擴散層上，通常采用絲網印刷方法，其技術已經基本成熟；二是把催化層制備到膜上(Catalyst Coated Membrane, CCM)，與第一種方法比較，在一定程度上提高了催化劑的利用率與耐久性；三是有序化的MEA，把催化劑如Pt制備到有序化的納米結構上，使電極呈有序化結構，有利于降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量。國內車用燃料電池大部分采用的是第一種傳統制備方法，第二種方法還處于完善中。然而，要想實現低成本、高性能的目標，有序化的MEA是一個技術發展趨勢，3M 公司研制的Pt擔載量可降至0.15~0.25 mg/cm2的納米結構薄膜 (nanostructured thin film, NSTF)MEA顯示了較好的性能。
高穩定性催化劑
在高穩定性催化劑研究方面，主要從Pt/C催化劑的改進與新型催化劑研究兩方面進行研究與探索。
展開 燃料電池漸成藍海，今年一季度我國燃料電池企業注冊量同比增長86.5%
圖片來源：企查查
實際上，不僅是相關企業注冊量增多，去年以來，燃料電池產業鏈的投融資金額也在大幅增加。中汽中心此前發布的數據顯示，2020年我國在氫燃料電池產業鏈的投融資金額達515.2億元，同比增長78.5%。其中氫燃料電池系統環節的投融資金額達196.8億元，約占當年產業鏈總投資額的38%，其余投資為汽車、電堆、膜電極、雙極板等環節投資。
燃料電池企業投融資及企業注冊量大幅增長背后是我國燃料電池汽車廣闊的發展前景。早在2019年，我國就已確定了氫燃料電池汽車將與純電動汽車長期并存、互為補充的地位。2020年，我國發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》還提出了氫燃料電池汽車的發展規劃，即到2025年，新能源汽車銷量將占總銷量20%左右，氫燃料電池汽車保有量要達到10萬輛左右；到2035年，新能源汽車成為主流，占總銷量50%以上，氫燃料電池汽車保有量要達到100萬輛左右，同時，該《路線圖》還對氫燃料電池及整車技術指標作了具體要求。
此外，五部門發布的《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》還明確將選擇符合條件的城市群，開展燃料電池汽車的示范應用。根據最新報道，京滬粵冀豫等地擬被納入燃料電池汽車示范應用城市群。按照要求，這些城市將把此前報送的實施方案進行修改之后在4月30日前上報給五部門，并由專家委員會進行評審并確定最終名單。
根據相關報道，首批燃料電池汽車示范城市群名單有望在未來兩到三個月內公布。
中汽中心今年預測，若今年上半年氫燃料電池汽車示范城市落地，基于各地氫燃料電池汽車發展規劃、部分地區對氫燃料電池汽車的支持力度以及2022年冬奧會影響，今年氫燃料電池汽車產量很有可能超過10000輛。
展開 
中國研究人員提出新的質子傳導電解質設計原理 可用于中溫固態氧化物燃料電池
蓋世汽車訊 據外媒報道，上海交通大學密西根學院（UM-SJTU JI）陳倩櫟教授及其合作者提出一種新設計原理，將具有高質子電導率的鈣鈦礦材料，用作固態氧化物燃料電池的電解質材料。
（圖片來源：上海交通大學）
固態氧化物燃料電池是一種電化學裝置，將氫氣、天然氣等燃料，從化學能直接轉化為電能。同時，具有能量轉換效率高、清潔環保等優點。然而，目前，固態氧化物燃料電池的工作溫度普遍較高，約為700-1000°C，這對電池組件材料的耐高溫性提出了嚴格的要求。
使用質子導電陶瓷，作為燃料電池的電解質材料，有望將運行溫度降至450-700°C，大大降低生產成本。然而，其質子導電率需要進一步提高，以實現此類中等溫度燃料電池的商業化。研究人員認為，可以通過調整晶格振動頻率，實現理想的等動力學溫度，從而提高質子在低溫下的質子導電率。
質子擴散需要克服被稱做活化能的能量勢壘。總的來說，為了提高質子導電率，應該降低活化能。研究人員發現，質子導電率遵循凝聚態原子擴散動力學的Meyer-Neldel規則。當活化能降低時，電導率公式中的指前因子相應減小，從而阻止提高電導率。研究人員進一步發現，當改變材料結構以引起活化能變化時，不同活化能的電導率曲線在一個等動力溫度下相交，而質子電導率與活化能無關，只與材料的固有性質有關。研究人員從等動力溫度與材料結構的關系出發，提出通過調整材料結構來實現理想的等動力溫度，可以很好地提高低溫下的質子電導率。
研究人員表示：“作為中溫陶瓷電化學電池的質子傳導電解質，鈣鈦礦型金屬氧化物已經引起廣泛關注，例如Y摻雜BaMO 3（M = Zr/Ce）。
展開 ：離子液體在燃料電池催化劑應用方向的新進展
本文提出的設計方法和概念為未來聚合物電解質燃料電池應用提供一種耐用性和高活性Pt基催化劑的設計的方法。
原文詳情：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33895-5
文章來源：材料人
ANSYS鋰電池及燃料電池研討會 | 上海
7月24日，ANSYS中國官方將在上海舉辦「ANSYS鋰電池及燃料電池研討會」，此次研討會特別邀請到了負責這個解決方案的ANSYS首席研發專家李少平博士和李革農博士，為大家分享ANSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學方向的仿真技術應用和前沿發展，主要涵蓋MSMD模塊、MSMD高級功能、鋰離子電池熱失控、質子交換膜燃料電池PEMFC、固體氧化物燃料電池SOFC、腐蝕、電鍍、通量電池及鋰離子電極建模等。
此外，ANSYS中國的流體高級工程師井文明將會就鋰離子電池仿真中的熱失控及LTI ROM進行現場演示，期待您的參與！
是不是干貨滿滿呢？聯系技術鄰微信客服 jishulink888 還可享6折優惠，數量稀缺，先到先得！
ANSYS鋰電池及燃料電池研討會
2019年7月23日 (周二)
眾所周知，中國已將新能源汽車作為七大戰略性產業之一。近年來新能源汽車市場蓬勃發展，呈現爆發式的增長，動力電池技術作為其核心和瓶頸一直是研究的重中之重。中國車企以純電動和插電混合動力汽車為主，兼顧燃料電池汽車路線。因此，鋰離子電池和燃料電池在未來相當長時間將是動力電池主要發展方向。
ANSYS擁有目前市場上關于鋰電池和燃料電池最完善也是最被廣泛采用的解決方案。
時間地點
會議時間：7月23日（周二）
會議地點：上海浦東錦江湯臣酒店
報名方式：付費報名，500/人或輸入邀請碼報名參與
報名鏈接：http://t.cn/AipaRV75
技術鄰粉絲專享：客服手上目前有為數不多的幾個6折優惠碼，報名享優惠，先到先得！
展開 馬里蘭大學Nature：高度耐用，焦化和耐硫，燃料靈活的質子陶瓷燃料電池
【引言】
質子陶瓷燃料電池，像它們的高溫固體氧化物燃料電池對應物一樣，可以直接使用氫氣和碳氫化合物燃料以高于50％的效率發電。過去大部分的碳氧化合物燃料電池，主要關注于氧離子傳導電解質的固體氧化物燃料電池。但是，當這種燃料電池直接以含烴和/或含硫燃料運行時會發生碳沉積（焦化）和硫中毒，導致隨著時間的推移嚴重的電池的性能下降。盡管研究表明碳氫化合物燃料質子陶瓷燃料電池具有良好的性能和抗焦化能力，但還沒有關于長期耐久性的系統研究。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通訊）作者等人，研究了在500至600℃之間，11種不同燃料（氫氣，甲烷，家用天然氣（含和不含硫化氫），丙烷，正丁烷，異丁烷，異辛烷，甲醇，乙醇和氨）的質子陶瓷燃料電池的長期測試結果。經過6000多個小時的電池測試，幾種燃料中都表現出優異的性能和卓越的耐用性（在大多數情況下，每1000小時降解量低于1.5個百分點），而無需對電池組成或結構進行任何修正。電池可以容忍大幅度的溫度的波動，即使經過數千小時的運行，也沒有觀察到焦化現象。同時，對于低溫和高溫燃料電池而言，硫磺是一種臭名昭著的毒物，當與商用燃料一致供應時，不會影響質子陶瓷燃料電池的性能。質子陶瓷燃料電池器件展現的燃料靈活性和長期耐用性凸顯了該技術的前景以及其商業應用的潛力。相關成果以“Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells”為題發表在Nature上。
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