燃料電池復(fù)習(xí)資料

1、2006試題缺氣對(duì)燃料電池有什么危害？（10分）缺氣：無(wú)法正常工作；無(wú)法移走反應(yīng)生成的水，造成燃料電池過(guò)熱；有可能會(huì)增加膜電 極兩側(cè)的壓力差，導(dǎo)致氣體通過(guò)膜進(jìn)行擴(kuò)散，氫氧混合造成危險(xiǎn)如何用溫度調(diào)節(jié)法解決燃料電池內(nèi)缺水或水過(guò)剩的問(wèn)題？（10分）缺水：降低溫度水淹：升高溫度為什么在設(shè)計(jì)過(guò)程中FC壓力降不能過(guò)高也不能過(guò)低？（10分）太低，不能移走水；太高，壓降損失大。主流道壓力降 流場(chǎng)壓力降分析工作溫度對(duì)燃料電池輸出性能的影響。（10分）當(dāng)電池加熱溫度低于加濕溫度時(shí)，隨著電池加熱溫度的升高，PEM燃料電池的性能也 在提高.當(dāng)電池加熱溫度高于加濕溫度時(shí)，升高電池的加熱溫度反而會(huì)降低PEM燃料電池 的性

2、能。低溫時(shí)，燃料電池的性能主要受到電化學(xué)反應(yīng)速度的控制，升高電池的溫度會(huì)加快電化 學(xué)反應(yīng)的速度，提高交換電流密度，使電池的性能得到提高.同時(shí)燃料電池溫度的升高可以 加速應(yīng)物和生成物在電池中的傳遞，也有利于提高PEM燃料電池的性能。高溫時(shí)，PEM燃 料電池的性能主要受到質(zhì)子膜及膜成分阻抗控制.這時(shí)，質(zhì)子膜和膜成分因電池溫度過(guò)高 而出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，質(zhì)子膜和膜成分中的質(zhì)子傳導(dǎo)率降低，阻抗增大，降低了 PEM燃料電池 的性能。（濕度：當(dāng)氫氣濕度低時(shí)，氫氣攜帶的水分少，擴(kuò)散進(jìn)入陽(yáng)極催化劑層中的水分就更少， 這樣使質(zhì)子膜在陽(yáng)極側(cè)的水分減少，阻抗增大，質(zhì)子膜的阻抗控制著燃料電池的性能.隨著氫 氣濕度的升高,攜

3、帶的水分增加，膜陽(yáng)極側(cè)的阻抗降低，燃料電池的性能得到提高.而當(dāng)氫氣 濕度太高時(shí),氫氣攜帶的水分大大超過(guò)了質(zhì)子在質(zhì)子膜中遷移時(shí)需要的水分，此時(shí)會(huì)在電極 多孔介質(zhì)中出現(xiàn)過(guò)多的液態(tài)水，阻礙了氣體的擴(kuò)散,濃差極化控制著電池的性能，這種情況當(dāng) 電流密度較大時(shí)表現(xiàn)最為明顯.）如何精確控制不飽和濕度？（10分）2007試題請(qǐng)畫(huà)出由兩片燃料電池組裝的電池堆結(jié)構(gòu)示意圖，要求標(biāo)注各部件的名稱：并以此電池 堆外接負(fù)載為例，描述電子和質(zhì)子的移動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)。（20分）課件2.3第二頁(yè)請(qǐng)分析燃料電池雙極板中空氣、氫氣和水在各種流動(dòng)方向（同向或逆向）布置情況下對(duì) MEA的影響。（20分）/逆流方式有利于降低出口溫度/不論哪

4、種流動(dòng)形式，陽(yáng)極表面和陰極表面的溫度都是沿氣流方向逐漸升高，在出口處溫 度達(dá)到最高.但是逆流流動(dòng)形式的出口溫度不論是陽(yáng)極表面還是陰極表面在同等入口參 數(shù)和邊界條件下要低于順流和叉流的出口溫度.因此為了避免溫度過(guò)高造成電極材料的 腐蝕，應(yīng)該選擇逆流的流動(dòng)形式為什么要避免燃料電池的缺氣現(xiàn)象？（10分）缺氣：無(wú)法正常工作；無(wú)法移走反應(yīng)生成的水，造成燃料電池過(guò)熱；有可能會(huì)增加膜電 極兩側(cè)的壓力差，導(dǎo)致氣體通過(guò)膜進(jìn)行擴(kuò)散，氫氧混合造成危險(xiǎn)試設(shè)計(jì)一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，要求畫(huà)出系統(tǒng)框圖，并簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)（20分）簡(jiǎn)述燃料電池在車上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，并論述車用燃料電池的發(fā)展方向。（20分）優(yōu)勢(shì)：/ 節(jié)能、轉(zhuǎn)換

5、效率高、不需要石油燃料一一除用汽油重整產(chǎn)生氫氣外，其他（甲醇、碳?xì)?化合物等）燃料基本不用石油燃料。燃料電池在額定功率下的效率可以達(dá)到60%，而 在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到70%，在過(guò)載功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以 達(dá)到5055%。高效率隨功率變化的范圍很寬，在低功率下運(yùn)轉(zhuǎn)下率高，特別適合于 汽車動(dòng)力性能的要求。/排放達(dá)到零污染/ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)結(jié)構(gòu)件大多數(shù)為板狀和管件，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零部件和各種摩擦副，沒(méi) 有因零部件磨損引起的故障，維修、保養(yǎng)方便。/ 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，噪聲小、振動(dòng)小、散熱系統(tǒng)比內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)單得多、熱管理 系統(tǒng)也更加簡(jiǎn)單；產(chǎn)出物不需要進(jìn)行凈化和消聲處理，整個(gè)燃料電

6、池系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化系統(tǒng)管理。發(fā)展方向：/ 高溫高壓GDL催化劑如何伸燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中改變功率輸出？請(qǐng)說(shuō)明在變載過(guò)程中調(diào)節(jié)空氣流 量的意義。（10）質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓隨負(fù)載變化而變化，不用調(diào)節(jié)，但由于供氣量改變要調(diào)整 空氣量，此時(shí)輔助系統(tǒng)消耗的功率也有所改變，因此應(yīng)該改變輔助系統(tǒng)的功率燃料電池的燃料H2是由高壓源自動(dòng)供給，其輸出功率的調(diào)節(jié)是伴隨負(fù)載的需求自動(dòng)進(jìn) 行的，即負(fù)載需要多少功率，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)許可的范圍內(nèi)，燃料電池就輸出多少功率。內(nèi)燃機(jī)的輸出功率是由駕駛員來(lái)控制的，通過(guò)加速踏板控制進(jìn)氣量或者噴油量進(jìn)而控制 內(nèi)燃機(jī)輸出功率的大小。2008試題燃料電池一般應(yīng)工作在什么電壓

7、范圍？為什么？（10分）在燃料電池出現(xiàn)水淹趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)如何調(diào)節(jié)電池堆溫度？為什么？（10分）提高電池堆溫度加大排水信號(hào)故障依據(jù)措施輸出電流；工質(zhì)壓力 降；溫度；進(jìn)氣壓力 /流量水淹實(shí)測(cè)壓降大于計(jì)算壓降提高電池堆工作溫度，減小進(jìn)氣 一電堆溫差，加大進(jìn)氣流量，實(shí) 施脈沖排氣工作電流，電壓變化 值，電堆前/中電池 電壓缺 水實(shí)測(cè)阻抗大于計(jì)算阻 抗；電堆前端電壓小于 中間電壓降低電池堆工作溫度，加大進(jìn)氣 一電堆溫差，減小進(jìn)氣流量為什么有的燃料電池在快諫加載過(guò)程中可測(cè)到陽(yáng)極有CO2排放？（10分）CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成h2和CO2。一般燃料電池堆每千瓦小時(shí)需要的空

8、氣量為多少標(biāo)準(zhǔn)升？（10分）使用99.99%的氫氣，但為什么許多燃料電池氫氣側(cè)還要定期排氣？（10分）高溫PEM燃料電池比常溫PEM燃料電池有那些優(yōu)越性？（ 10分）6.車用燃料電池壽命衰減的主要原因有哪些（至少列舉4種）？如何提高車用燃料電池壽命？（10分）原因/ 機(jī)械破壞（破裂，撕裂，刺孔，小孔/水泡，外來(lái)顆粒造成穿孔，濕度不足，壓力不均， 催化劑滲膜）/ 工作故障（水淹，膜脫水，細(xì)胞逆轉(zhuǎn)，高溫，喘振，漏電）/ 膜電極退化（膜退化，凝聚，催化劑沖刷，污染，陰/陽(yáng)極腐蝕，儲(chǔ)存流失，凍結(jié)/解凍 退化）/密封老化/雙極板泄露措施/ 材料，催化劑，膜的耐久性/ 固定電源（使用模式）/環(huán)境（空氣質(zhì)量

9、）為什么PEM燃料電池使用脫離子水？冬季怎么辦？（10分）常溫PEM燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上，有什么辦法可能實(shí)現(xiàn)空氣不必預(yù)增濕？（10分）10.請(qǐng)對(duì)下圖試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋和分析。（10分）mF其他燃料電池的缺點(diǎn)1）燃料種類單一2）要求高質(zhì)量的密封 3）比功率還要進(jìn)一步提高4）造價(jià)太高 5）需要配備輔助電池系統(tǒng)FC性能曲線分析，說(shuō)明現(xiàn)象規(guī)律經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：在一定的條件下，溫度（氫氣、空氣、水溫度相同） 對(duì)燃料電池性能的影響存在一個(gè)最佳值，一定的變化范圍內(nèi)，空氣過(guò)量系數(shù)的增大對(duì)燃料電 池性能有改善作用，這種改善的程度與電流的大小有一定的相關(guān)性。當(dāng)溫度為55C時(shí)，隨著氫氣過(guò)量系數(shù)從1.2變化到1

10、.8,同樣的電流密度下，燃料電池 的單片電壓是上升，同時(shí)燃料電池的功率也在上升，這說(shuō)明燃料電池的性能得到了改善；同 樣再看溫度50C時(shí)，隨著氫氣過(guò)量系數(shù)從1.2上升到1.8,可以得到和上面同樣的結(jié)論，但 是燃料電池單片電壓改變并不大，局部區(qū)間還有減小，這說(shuō)明燃料電池性能有所穩(wěn)定。從上面兩張圖可以看出總體趨勢(shì)是隨著空氣過(guò)量系數(shù)從1.5到2.5的增加，在電流密度 相同時(shí)，燃料電池的單片電壓逐漸增大，燃料電池性能改善。在50C時(shí)，當(dāng)空氣過(guò)量系數(shù) 從1.5變化到2.0時(shí)，低電流密度時(shí)燃料電池單片電壓變化不大，隨著電流密度增大，其差 值逐漸增大；而空氣過(guò)量系數(shù)從2.0變化到2.5時(shí)則不同，隨著電流密度的

11、增加，單片電壓 的差值的變化呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)。在45C時(shí)，變化趨勢(shì)和50C相似。從伏安特性曲線可以看出，在45C到50C的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，在相同的電流 密度下，單片電壓呈上升趨勢(shì)，燃料電池的功率也呈上升趨勢(shì)，燃料電池性能改善。當(dāng)溫度從50C變化到55C時(shí)，單片電壓變化不大，略微減小，這說(shuō)明燃料電池又一個(gè) 對(duì)性能影響最佳的溫度，從實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看這個(gè)溫度應(yīng)該介于5055C之間。低壓和高壓系統(tǒng)各有什么優(yōu)缺點(diǎn)高壓系統(tǒng)行駛里行長(zhǎng)，功率密度高，技術(shù)難度大，安全性差在燃料電池中，MEA起什么作用？（10分）MEA陰極陽(yáng)極反應(yīng)物反應(yīng)的場(chǎng)所、酶的催化、質(zhì)子交換。燃料電池氫氣系統(tǒng)中Purge閥的作

12、用是什么？（10分）Purge 閥氫氣系統(tǒng)中，purge閥為氫氣凈化閥，可以消除在燃料氣體系統(tǒng)中積累的雜質(zhì)，從而 在大范圍的工作負(fù)載下確保穩(wěn)定的發(fā)電，并且使燃料排放量最小，從而提高燃料使用的 效率；在排水方式中為脈沖排氣法（purge）燃料電池堆內(nèi)水淹現(xiàn)象有什么特征性規(guī)律?（10分）水淹現(xiàn)象的特征性規(guī)律一一發(fā)生水淹時(shí)電池電壓會(huì)出現(xiàn)明顯下降，同時(shí)液態(tài)水附著于六道 壁面，使得氣體通道流通界面縮小，壓力降明顯增大。為什么FC流場(chǎng)壓力降不得過(guò)大，也不可過(guò)小？（10分）FC流場(chǎng)壓降過(guò)大一一流速過(guò)大，反應(yīng)物消耗不完全導(dǎo)致氣體利用率低FC流場(chǎng)壓降過(guò)小一一流速過(guò)小，氣體供應(yīng)速率不能滿足燃料電池需求，對(duì)性能造成

13、不利 影響，同時(shí)壓降小不利于水的排除，易形成水堵。要提高FC中MEA功率密度，需從哪些方面努力？（10分）膜的材料和厚度（PEM膜越薄，氧氣還原反應(yīng)的極限電流密度就越高，因此電池的功率 密度越大，但太薄容易導(dǎo)致熱壓膜電極時(shí)膜的破裂，造成MEA失效），流場(chǎng)形式的設(shè)計(jì) 和溫度的控制等。催化劑的影響（催化劑的擔(dān)載方式、熱壓工藝參數(shù)的確定、催化層制備條件的確定、擴(kuò) 散層的選擇、PEM的選擇。）氣體流量的影響（氫氣、空氣的流速流量，溫度濕度的控制）降低濃差極化，可使電池在更大的電流密度下工作。（濃差極化：是由擴(kuò)散（傳質(zhì)）阻力引起的。擴(kuò)散阻力主要與溫度、壓力、電極結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在大電流密度下，濃差 極化

14、將導(dǎo)致電池性能的急劇下降。）哪些因素影響燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力？（10分）壓力、溫度、相對(duì)濕度、空氣過(guò)量系數(shù)為什么車用FC壽命比固定電源型FC壽命短？ （10分）車用倒是燃料電池壽命短的原因：車按工況運(yùn)行，電池輸出功率頻繁、快速變化，不但導(dǎo)致電池內(nèi)反映其工作壓力、濕度、 溫度的波動(dòng)，而且有時(shí)導(dǎo)致電池欠氣，甚至反極，不但加速了點(diǎn)催化的燒結(jié)，電催化劑 腐蝕、膜的老化，甚至串氣，導(dǎo)致電池失效。冬季燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后如何防凍? （10分）將水箱中的水經(jīng)過(guò)電熱器加熱后傳送到燃料電池內(nèi)部，從而在燃料電池停機(jī)并且外界環(huán)境溫 度過(guò)低的情況下仍能保持燃料電池內(nèi)部的水溫正常，不會(huì)結(jié)凍，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。試計(jì)

15、算電池堆20kW運(yùn)行6小時(shí)所需氫氣質(zhì)量。（10分）若100-cell的電池堆在200A70V時(shí)生成水30%為液態(tài)，試計(jì)算每秒產(chǎn)生多少熱。（10 分）燃料電池堆發(fā)生水淹的原因可能是什么？（10分）水管理和熱管理的不當(dāng)導(dǎo)致了水淹現(xiàn)象，由于反應(yīng)氣體加濕和陰極反應(yīng)、滲透等作用， 水在陰極上很容易積累，同時(shí)，可能電流密度相對(duì)較高，流速較低。怎么防止燃料電池堆在動(dòng)態(tài)過(guò)程中缺氣現(xiàn)象？ （10分）峰值功率40kW的燃料電池堆，配壓比1.5的空壓機(jī)，需要冷卻水的流量為多少？空壓 機(jī)寄生功率為多少？空壓機(jī)流量為多少？（30分）如何延長(zhǎng)車用燃料電池的使用壽命？（10分）優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)和GDL 一體化、緩解陽(yáng)極燃料不足、發(fā)展陰極電催化材料和性能、 改善陽(yáng)極、陰極的結(jié)構(gòu)和催化劑、促使過(guò)氧化物分解、較高的工作溫度。設(shè)計(jì)一個(gè)空氣循環(huán)型燃料電池系統(tǒng)，并簡(jiǎn)介空氣子系統(tǒng)中主要部件的功用。（20分）試為四個(gè)電池堆設(shè)計(jì)一