質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制
01. 成果簡介 質(zhì)子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應(yīng)溫度低、氧化劑需求低等優(yōu)勢,是當(dāng)前燃料電池汽車的首選,然而,針對目前質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制,還存在以下問題: 1. 在考慮零下低溫條件下電堆快速暖機(jī)的前提下,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)增濕效果,是燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個挑戰(zhàn); 2. 由陽極與陰極兩側(cè)壓差波動造成的燃料電池質(zhì)子交換膜機(jī)械損壞、以及由燃料電池的高電位造成的燃料電池多孔碳紙化學(xué)腐蝕,是限制燃料電池壽命的重要因素; 3. 當(dāng)燃料電池汽車進(jìn)入隧道或者地下車庫等封閉空間時,由于陽極吹掃而被排出的氫氣會在該密閉空間上方聚集,產(chǎn)生安全隱患; 本成果提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)陽極再循環(huán)和陰極排氣再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及相應(yīng)的氣體壓力隨動控制、氣體濕度多模式控制和輸出電壓鉗位控制,可精確控制進(jìn)入電堆的氫氣/空氣壓力、總流量、溫度、濕度和氧含量等參數(shù),具體如下: 1. 燃料電池系統(tǒng)對進(jìn)氣濕度要求較高,只有在最優(yōu)增濕條件下,才能實(shí)現(xiàn)最高輸出效率,為了實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣濕度的控制,目前主要由外部增濕和自增濕兩種系統(tǒng),前者低濕環(huán)境條件下電堆增濕效果較好;后者取消了外部增濕器,加快了零下低溫條件下電堆暖機(jī)過程。本成果采用陽極+陰極雙循環(huán)系統(tǒng),在小負(fù)荷工況下,增大陰極循環(huán)程度,充分運(yùn)用陰極生成水對燃料電池進(jìn)氣進(jìn)行加濕;在中高負(fù)荷下降低陰極循環(huán)程度,而增高陽極循環(huán)程度,避免由于進(jìn)氣流量過大引起的陰極循環(huán)泵功率消耗過高的問題。兼顧低濕環(huán)境條件下提高電堆增濕效果與零下低溫條件下電堆暖機(jī)過程,提高電堆效率; 2. 首先,進(jìn)入燃料電池電堆的氣體流量與氣體壓力存在一定耦合關(guān)系,導(dǎo)致陽極與陰極兩側(cè)氣體壓力將隨著燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率變化而變化,由此引起的陽極與陰極兩側(cè)壓差波動會對燃料電池內(nèi)部的質(zhì)子交換膜產(chǎn)生機(jī)械損壞,本成果采用陽極+陰極壓力快速隨動控制,從而降低由壓力波動造成的機(jī)械損壞;此外,在怠速或小負(fù)荷時,燃料電池的高電位會對燃料電池內(nèi)部的多孔碳紙?jiān)斐苫瘜W(xué)腐蝕,為此,在怠速或小負(fù)荷時,本成果通過增大陽極循環(huán)程度,降低燃料電池電位,實(shí)現(xiàn)對電壓的鉗位控制,從而降低由高電位引起的化學(xué)腐蝕;綜上所述,本成果通過陽極+陰極壓力快速隨動控制和電壓鉗位控制,延長電堆壽命; 3. 由于氮?dú)夂退臐獠顢U(kuò)散作用,燃料電池陽極側(cè)都會出現(xiàn)氮?dú)饫鄯e和液態(tài)水水淹現(xiàn)象,引起燃料電池性能下降,因此需要定期對陽極側(cè)進(jìn)行吹掃,將累積的液態(tài)水、氮?dú)馀c未反應(yīng)的氫氣一起排出。本成果在陽極出口處增加了燃料電池小面積單片,用于處理尾排氫氣,從而實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)氫氣零排放,保障燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行安全。 燃料電池雙循環(huán)系統(tǒng)02. 應(yīng)用前景 本成果可應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域。03. 知識產(chǎn)權(quán) 本成果涉及9項(xiàng)發(fā)明專利。04. 團(tuán)隊(duì)介紹 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主要研究方向新能源汽車動力系統(tǒng),團(tuán)隊(duì)成員包括歐陽明高、李建秋、楊福源、王賀武、盧蘭光、李希浩、徐梁飛、杜玖玉、韓雪冰、馮旭寧等,課題負(fù)責(zé)人為李建秋,獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎兩項(xiàng),北京市科學(xué)技術(shù)一等獎一項(xiàng)、中國汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎一項(xiàng),論文發(fā)表200余篇。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深度參與了中國新能源汽車的戰(zhàn)略規(guī)劃、科技研發(fā)、國際合作、示范考核和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的全過程,培育出多家學(xué)生創(chuàng)業(yè)型高科技企業(yè),為中國新能源汽車躋身世界先進(jìn)行列作出了重要貢獻(xiàn)。05. 合作方式 技術(shù)許可。06.聯(lián)系方式 郵箱: zhangyan2017@tsinghua.edu.cn
清華大學(xué)
2021-04-13