燃料电池培训PPT-燃料电池相关技术-v1.0

燃料电池相关知识目录第一章：燃料电池结构及零部件第一节：燃料电池结构第二节：膜电极第三节：催化剂第四节：质子膜第五节：GDL第六节：水气传输第二章：燃料电池装配第一节：装配工艺第二节：燃料电池密封第三节：电堆的CFD分析第三章：燃料电池测试第一节：活化机理及目的第二节：伏安曲线阶段分析第三节：电堆常用诊断方法目录第一章：燃料电池结构及零部件第一节：燃料电池结构质子交换膜燃料电池的应用前景交通运输质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够直接将氢能转化为电能，具有环境友好、功率密度高、转化效率高、工作温度低、噪声低、启动快等优点。固定电站便携电子燃料电池结构燃料电池是由双极板、膜电极层叠的“三明治”结构。双极板占重量超过60%，成本30%。双极板是PEMFC的关键部件双极板分隔反应气体，形成三腔体流场。金属双极板为燃料电池发展趋势支撑传热导电燃料电池结构燃料电池结构膜电极组件（Membraneexchangeassembly，MEA）为五合一或七合一组件目录第一章：燃料电池结构及零部件第二节：膜电极膜电极结构与功能催化层反应界面MEA分类及制备工艺浆料分散工艺浆料配方浆料涂覆方法精密涂布工艺工艺对性能的影响H2OH2O200μm1.膜电极的结构及功能2.膜电极的结构及功能：催化层反应界面有效界面：气体、电子、质子三相交界处失效接触界面：催化层接触界面的设计对膜电极性能有显著影响3.MEA分类及制备工艺三种MEA工艺方法（浆料涂覆的表面不同）：催化剂涂覆基材(CCS)catalystcoatedsubstrate催化剂涂覆膜(CCM)catalystcoatedmembrane转印法(LTDM)lowtemperaturedecalmethod3种工艺流程示意图ShahgaldiS,AlaefourI,LiXG.Impactofmanufacturingprocessesonprotonexchangemembranefuelcellperformance.AppliedEnergy2018;225:1022–32.3.MEA分类及制备工艺：浆料涂覆方法刷涂法喷涂法丝网印刷法网纹辊微凹版辊涂布一、微凹版辊涂布微型涂布辊的旋转方向与料膜的走料方向相反，通过凹版辊网纹图案、线数以及深度确定带液量,并通过工艺控制转移涂布量。3.MEA分类及制备工艺：精密涂布工艺二、狭缝涂布涂液首先输入条缝涂布模头的贮液分配腔中,然后经过狹缝向横向的匀化作用,在出口口模处以液膜状铺展到被涂基体上。涂布量取决于输入液料量与基材运行速度之比。3.MEA分类及制备工艺：精密涂布工艺失效形式：PEMFC通常采用纳米级粒径的高分散 Pt/C 或合金PtM/C作为催化剂以增加铂的活性表面积，在燃料电池工作过程中，铂催化剂的有效活性表面积会逐渐降低，导致燃料电池性能衰减H2O2腐蚀碳载体M-O,M-OH中间产物腐蚀催化剂团聚等催化剂中毒（CO等）4.催化剂的衰减机理及分类4.催化剂的衰减机理及分类①.Pt的衰减Ⅰ.迁移、合并原理：Pt颗粒总的表面能最低发生条件：电势＜0.8VⅡ.奥斯特瓦尔德熟化原理：小颗粒具有更大的化学势，将会优先溶解。溶解的Pt离子通过电解质迁移到大颗粒的表面发生条件：电势＞0.8V4.催化剂的衰减机理及分类②.碳的衰减正常条件电势＞1.1V时，碳腐蚀较为严重燃料不足当没有H2供电，且电池电压需要维持在0.7V时，由于没有氧化反应可以发生，会导致阳极测电势升高，此时阳极测碳载体将会被溶解、氧化。4.催化剂的衰减机理及分类②.碳的衰减阳极H2中混有O2在阳极侧:将同时发生HOR(氢气氧化反应）和ORR（氧还原反应）反应在阴极侧:ORR反应的同时还会发生两个氧化反应：这些反应在阴极形成了一个高达1.23Ｖ的电势差——反向电流机制（频繁启停时，由外界渗透的或者阴极扩散导致的）4.催化剂的衰减机理及分类④催化剂中毒PEMFC所采用的氢气燃料常含有CO2，CO，H2S和NH3等杂质。同样空气中也会有部分杂质。这些杂质气体会强烈吸附在铂催化剂表面，使铂活性位点失效。吸附在载体上又会影响载体憎水性和传质性能。Ⅱ.PFSA树脂的聚合物链末端羧基对HO·和HOO·浓度敏感，易引发PFSA树脂衰减，产生HF、CO2③.Ionomer的衰减1目录第一章：燃料电池零部件第四节：质子膜质子膜的功能及工作过程质子膜的材料质子膜的失效分类及机理质子膜的衰减分类及机理-机械衰减质子膜的失效分类及机理-化学衰减1.质子膜的功能及工作过程（1）分隔阳极和阴极的气体；（2）传导质子；（3）隔离电子，形成电路。质子交换膜的功能运载机理(由膜中压力驱动的水的对流流动)Grotthuss机理(由质子驱动的流动)质子的传输机理2.质子膜的材料结构优点缺点全氟磺酸质子交换膜质子传导率较高，耐酸碱、耐热的稳定性较好燃料渗透，成本较高部分含氟磺酸质子交换膜良好的热稳定性、化学稳定性以及吸水率制备工艺过于繁琐且磺化条件较为困难，接枝率普遍较低非氟磺酸质子交换膜高性能、低成本在普通溶剂中溶解性和加工性能较差，产率较低其他新型材料的质子交换膜具有良好的热稳定性质子传导率不高，电池性能不佳H2PO43.质子膜的失效分类及机理化学失效机械失效主要原因：自由基的攻击长期腐蚀，缓慢积累早期出现主要原因：①非均匀预紧力②温湿应力循环③启停气流冲击等主要影响：质子交换膜减薄质子传导率下降主要影响：孔洞和裂纹漏气·OH·OOHH2O2①②③HFH2SO4CO2主链官能团支链

厚度：30~50μm目录第一章：燃料电池零部件第五节：GDLGDL功能GDL材料分类GDL结构及特点GDL特性参数1.GDL功能目的、作用1、支撑催化层（CL）2、同时满足反应气与产物水的传输3、电子传输(FF与CL之间)GDL是PEM燃料电池的关键部件之一1、接触电阻小（与催化层Pt/C之间）2、热的良导体3、高孔隙率、适宜的孔径4、不易腐蚀降解碳基碳纸碳布良好的机械强度和大范围的稳定性、寿命问题广泛用于碱性燃料电池钛网碳毡金属微铜板2.GDL材料分类高孔隙率、弯曲度低湿度下增强膜水化钛网表面高孔隙率、弯曲度低高电密下快速除水机械强度较高3.GDL特性参数微观特性物理特性形貌导热性宏观表征传质特性导电性孔隙率分布弯曲半径力学纤维结构直径、厚度接触角压缩抗弯、抗拉体热阻接触热阻IP/TP体电阻接触电阻IP/TP渗透率扩散系数IP/TP评测方法ex-situin-situ3.GDL特性参数3.GDL特性参数目录第一章：燃料电池零部件第六节：水气传输及阻抗燃料电池水气传输机理燃料影响因素分析1.燃料电池水气传输机理膜电极内部传输效应多且界面关系复杂膜电极内部水的传输过程Hydrogenenergy,9461-9478(2009)电池内部产生的水主要聚集在阴极，产自催化层，途径气体扩散层，最终传输到流道吹走。电池内部水的排出过程1.燃料电池水气传输机理气体扩散层水传输毛细效应对流与扩散相变电池内部产生的水主要聚集在阴极，产自催化层，途径气体扩散层，最终传输到流道吹走。ProgressinEnergyandCombustionScience37(2011)221-2911.燃料电池水气传输机理水在气体扩散层内传输过程CL反应不断产生水，当CL与MPL之间水的压力大于毛细力时，水进入毛细孔内水会优先通过孔径较大的纤维孔，因为毛细力较小多孔道水同时突破形成路径某一通道形成排水路径后，将会优先从该通道排水，其它发展的排水路径有所变短液滴排出后，回到图一状态继续发展液滴突破传输通道2.燃料影响因素分析（水、气、热、力等）热量在质子交换膜上传递：热传导催化层和气体扩散层：热传导和热对流水热传输耦合：蒸发和凝结过程会伴随着热量的吸收和释放由于热管效应（温度梯度引起水的相变和净传质），水和热的传输同时发生饱和蒸气压与局部温度密切相关热传输现象2.燃料影响因素分析（水、气、热、力等）热源及分布电化学反应产热欧姆热相变热传导与对流换热目录第二章：燃料电池装配第一节：燃料电池装配结构燃料电池装配关键零部件：极板膜电极密封元件集流板绝缘板端板ForceForce装配作用：1）导电性2）减小接触电阻3）密封燃料电池装配燃料电池装配装配力的影响电池受力不均匀接触电阻升高压力分布不一致电池性能差异部件损坏电池内部受力不均匀会造成电堆输出性能下降燃料电池装配受力不均匀端板变形Channelheight0.4±0.015mm流道高度极板翘曲根据总成方式的不同，燃料电池电堆总成主要包含螺杆装配、拉杆式装配、捆扎装配和整体式装配等螺杆装配捆扎装配拉杆装配主要装配结构分类一体式装配燃料电池装配燃料电池装配部件制造误差、装配误差、形状误差等不可避免，层叠式总成引起多源误差累积，如何描述制造误差累积对电堆一致性和可靠性的影响理想工况实际工况尺寸误差装配误差形状误差单元电池一致性降低30%以上单元电池性能一致目录第二章：燃料电池装配第二节：燃料电池密封密封的重要性密封基本结构密封判断密封评价实验密封材料分类:四种橡胶材料压缩性能比较密封设计和MEA匹配1.密封的重要性2.密封基本结构3.密封问题胶线自由状态下长度超差使用后双极板长边胶线脱落4.密封判断气体密封条件：P0初始预紧力PG

密封介质内压力k侧压系数，k=v(1-v),橡胶密封件k

约为0.9-0.985密封圈不泄漏安全距离适当提高压缩率，增大初始预紧力，可提高密封性提高密封元件硬度，可提高密封性压缩率过大或材料过硬，有可能造成永久性变形，或因应力松弛而失效4.密封判断常规密封稳定性条件：摩擦力大于内压力——安全系数密封圈不滑移——摩擦力——压缩后高度理想密封下，安全系数越大，密封可靠性越高MEA边框材料硬度较小极板密封垫槽角度燃料电池密封元件防滑动安全距离MEAgasketBPPMEAborderpath1path2path3密封设计原则：MEA合适压缩率下，密封元件达到密封效果密封元件具有一定的抗错位能力密封边框和PEM处应力集中尽量小5.密封设计和MEA匹配5.电堆密封设计—合适压缩率密封参数设计备注：如图所示，MEA以及密封圈均表示电池装配压缩后的状态。D1：MEA边框中心线到密封条上边缘的距离；D2：MEA压缩后中心线到密封槽内脊上边缘的距离；D3：密封槽槽深；D4：密封圈压缩后高度。密封槽装配尺寸链MEA为NT-MEA5.电堆密封设计—合适压缩率密封槽装配尺寸链闭环：D4增环：D2，D3减环：D1已知：MEA厚度0.54±0.02mm

边框厚度0.28±0.02mm

密封槽槽深0.40±0.02mmMEA压缩率20%D1：0.14±0.01mmD2:0.27±0.01mmD3：0.40±0.02mm设定当碳纸压缩率为20%时，密封胶条的压缩率为20%按照以上设定计算尺寸链参数密封参数设计安全距离气压+加热压缩电池装配模拟0.975mm9.8°0.901mm0.927mm1.023mm压缩后评价结果电池运行模拟5.密封设计—抗错位能力5.密封设计—连接处抗应力集中装配过程温湿加载气体加载装配压缩温湿加载气压加载5.密封设计—连接处抗应力集中装配后（previous3.1MPa）温湿气体加载后(Previous7.2MPa)（1）密封材料实验硅橡胶SR三元乙丙橡胶EPDM丁腈橡胶NBR氟橡胶FRR密封材料装配因素工作环境应变率温度压缩应力应变压缩应力应变永久变形6.密封材料评价选择单轴压缩试验试验说明直径29mm，高度10mm的硅橡胶圆柱体temperature℃2060100LoadingrateMm/min21020Compressionratio40%测试前将试样预热30分钟达到需要的温度3个试样进行重复性实验，并单独测试每个试样在三个温度下的应力应变曲线PressheadPressheadHeatingboxspecimen6.1密封评价实验永久变形测试试验说明直径29mm，高度10mm的硅橡胶圆柱体temperature℃20100LoadingrateMm/min10Compressionratio30%测试前将试样预热30分钟达到需要的温度PressheadPressheadHeatingboxspecimen6.1.密封评价实验结果评价

压缩后位移压缩时位移其中，c越大，材料永久变形越严重6.1密封评价实验LSREPDMNBRFRCompressionratio2mm/min四种材料的压缩应力都随着温度的升高而降低，且在20-60℃下降幅度较大；硅橡胶LSR随着温度的变化应力变化值最小，三元乙丙橡胶EPDM随温度的变化最明显，说明LSR温度稳定性最好，EPDM温度稳定性最差。6.2密封材料分类:四种橡胶材料压缩性能比较Compressionratio20mm/minLSREPDMNBRFR四种材料的压缩应力都随着温度的升高而降低，且在20-60℃下降幅度较大；硅橡胶LSR随着温度的变化应力变化值最小，三元乙丙橡胶EPDM随温度的变化最明显，说明LSR温度稳定性最好，EPDM温度稳定性最差。6.2密封材料分类:四种橡胶材料压缩性能比较应变速率对材料力学性能的影响和温度相关，随着温度的增加，其影响效果逐渐减小；（应变速率区间2mm/min-20mm/min）随着温度的升高，材料逐渐软化，相同应变下应力逐渐减小；其中，硅橡胶受温度影响最小，三元乙丙橡胶影响最大；随着温度的升高，材料力学性能变化趋势逐渐变缓。6.2密封材料分类:四种橡胶材料压缩性能比较Temperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）209.86.3719.732.041009.86.3719.654.37不同温度下永久变形6.3密封材料分类:硅橡胶-LSRTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2095.8518.728.8910095.8517.2455.89不同温度下永久变形6.3密封材料分类:三元乙丙橡胶-EPDMTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2010.87.02110.31512.810010.87.0218.61557.82不同温度下永久变形6.3密封材料分类:丁腈橡胶-NBRTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2010.256.669.7015.3210010.256.669.68515.74不同温度下永久变形6.3密封材料分类:氟橡胶-FR在20℃时，LSR永久变形最小，FR永久变形最大；随着温度增加，永久变形逐渐增大；EPDM和NBR永久变形变化最大；FR永久变形率基本没变，LSR永久变形率绝对值最小；6.3密封材料分类:总结目录第二章：燃料电池装配第三节：电堆的CFD分析燃料电池电堆水气分配燃料电池电堆总管分配——实验研究燃料电池电堆总管分配——CFD仿真研究燃料电池极板流场分配——CFD仿真研究1.燃料电池电堆水气分配燃料电池电堆水气分配主要包括总管以及极板流场分配总管分配均匀性压降大小流场分配均匀性压降大小2.燃料电池电堆总管分配——实验研究模化实验装置、PIV图像、极板嵌入传感器2010加拿大维多利亚大学Suietal.2011总管湍流[InternationalJournalofHydrogenEnergy]2012入口形状、极板阻力丹麦技术研究院Lebæketal.[JournalofFuelCellScienceandTechnology]电堆运行状态印度安纳马莱大学Bhabaetal.[InternationalJournalofRenewableEnergyResearch]3.燃料电池电堆总管分配——CFD仿真研究2013年韩国加德士公司的Han采用总管分配CFD模型研究总管尺寸对流体分配的影响2019年国立马来西亚大学的E.H.Majlan建立了3D多场耦合电堆模型，研究了电池数量对电堆性能的影响总管分配CFD模型、多物理场耦合电堆模型4.燃料电池极板流场分配——CFD仿真研究CFD仿真技术：由单向流仿真向考虑气液作用的VOF方法表征流体分配均匀性和排水能力，结合电化学仿真揭示反应均匀性LishengCheng,ECM,2018.MohammadJ,ECM,2017单相流体分布均匀性仿真电化学反应均匀性仿真KuiJiao,IJHE,2017VOF两相流仿真5.燃料电池电堆总管分配——实验分析5.燃料电池电堆总管分配——仿真分析单电池压降分布流体分配仿真目录第三章：燃料电池测试第一节：活化机理及目的1.活化机理及目的1.活化机理及目的电堆活化目的：PEM以及催化剂的离聚物润湿整体电极结构的形成催化剂表面的杂质去除活化曲线图谱恒流自然活化恒流强制活化变流强制活化强制活化优于自然活化；变流强制活化优于恒流强制活化；变流强制活化所用的时间相对于恒流强制活化及自然活化均大大缩短电堆活化电堆活化工艺电堆活化过程其实就是PEMFC被强制放电的过程，对电子、质子、气体和水传输通道的建立及电极结构的优化过程。目录第三章：燃料电池测试第二节：伏安曲线阶段分析极化曲线电流中断电化学阻抗谱1.极化曲线一般理想极化曲线

1.电堆极化曲线与电化学阻抗谱测试拥有Greenlight-G200和Hephas-HS6K燃料电池测试平台和自主研发的燃料测试系统。具备电化学阻抗谱（EIS）测量功能