燃料電池培訓PPT-燃料電池相關技術-v1.0

燃料電池相關知識目錄第一章：燃料電池結構及零部件第一節(jié)：燃料電池結構第二節(jié)：膜電極第三節(jié)：催化劑第四節(jié)：質子膜第五節(jié)：GDL第六節(jié)：水氣傳輸?shù)诙拢喝剂想姵匮b配第一節(jié)：裝配工藝第二節(jié)：燃料電池密封第三節(jié)：電堆的CFD分析第三章：燃料電池測試第一節(jié)：活化機理及目的第二節(jié)：伏安曲線階段分析第三節(jié)：電堆常用診斷方法目錄第一章：燃料電池結構及零部件第一節(jié)：燃料電池結構質子交換膜燃料電池的應用前景交通運輸質子交換膜燃料電池（PEMFC）能夠直接將氫能轉化為電能，具有環(huán)境友好、功率密度高、轉化效率高、工作溫度低、噪聲低、啟動快等優(yōu)點。固定電站便攜電子燃料電池結構燃料電池是由雙極板、膜電極層疊的“三明治”結構。雙極板占重量超過60%，成本30%。雙極板是PEMFC的關鍵部件雙極板分隔反應氣體，形成三腔體流場。金屬雙極板為燃料電池發(fā)展趨勢支撐傳熱導電燃料電池結構燃料電池結構膜電極組件（Membraneexchangeassembly，MEA）為五合一或七合一組件目錄第一章：燃料電池結構及零部件第二節(jié)：膜電極膜電極結構與功能催化層反應界面MEA分類及制備工藝漿料分散工藝漿料配方漿料涂覆方法精密涂布工藝工藝對性能的影響H2OH2O200μm1.膜電極的結構及功能2.膜電極的結構及功能：催化層反應界面有效界面：氣體、電子、質子三相交界處失效接觸界面：催化層接觸界面的設計對膜電極性能有顯著影響3.MEA分類及制備工藝三種MEA工藝方法（漿料涂覆的表面不同）：催化劑涂覆基材(CCS)catalystcoatedsubstrate催化劑涂覆膜(CCM)catalystcoatedmembrane轉印法(LTDM)lowtemperaturedecalmethod3種工藝流程示意圖ShahgaldiS,AlaefourI,LiXG.Impactofmanufacturingprocessesonprotonexchangemembranefuelcellperformance.AppliedEnergy2018;225:1022–32.3.MEA分類及制備工藝：漿料涂覆方法刷涂法噴涂法絲網印刷法網紋輥微凹版輥涂布一、微凹版輥涂布微型涂布輥的旋轉方向與料膜的走料方向相反，通過凹版輥網紋圖案、線數(shù)以及深度確定帶液量,并通過工藝控制轉移涂布量。3.MEA分類及制備工藝：精密涂布工藝二、狹縫涂布涂液首先輸入條縫涂布模頭的貯液分配腔中,然后經過狹縫向橫向的勻化作用,在出口口模處以液膜狀鋪展到被涂基體上。涂布量取決于輸入液料量與基材運行速度之比。3.MEA分類及制備工藝：精密涂布工藝失效形式：PEMFC通常采用納米級粒徑的高分散?Pt/C?或合金PtM/C作為催化劑以增加鉑的活性表面積，在燃料電池工作過程中，鉑催化劑的有效活性表面積會逐漸降低，導致燃料電池性能衰減H2O2腐蝕碳載體M-O,M-OH中間產物腐蝕催化劑團聚等催化劑中毒（CO等）4.催化劑的衰減機理及分類4.催化劑的衰減機理及分類①.Pt的衰減Ⅰ.遷移、合并原理：Pt顆?？偟谋砻婺茏畹桶l(fā)生條件：電勢＜0.8VⅡ.奧斯特瓦爾德熟化原理：小顆粒具有更大的化學勢，將會優(yōu)先溶解。溶解的Pt離子通過電解質遷移到大顆粒的表面發(fā)生條件：電勢＞0.8V4.催化劑的衰減機理及分類②.碳的衰減正常條件電勢＞1.1V時，碳腐蝕較為嚴重燃料不足當沒有H2供電，且電池電壓需要維持在0.7V時，由于沒有氧化反應可以發(fā)生，會導致陽極測電勢升高，此時陽極測碳載體將會被溶解、氧化。4.催化劑的衰減機理及分類②.碳的衰減陽極H2中混有O2在陽極側:將同時發(fā)生HOR(氫氣氧化反應）和ORR（氧還原反應）反應在陰極側:ORR反應的同時還會發(fā)生兩個氧化反應：這些反應在陰極形成了一個高達1.23Ｖ的電勢差——反向電流機制（頻繁啟停時，由外界滲透的或者陰極擴散導致的）4.催化劑的衰減機理及分類④催化劑中毒PEMFC所采用的氫氣燃料常含有CO2，CO，H2S和NH3等雜質。同樣空氣中也會有部分雜質。這些雜質氣體會強烈吸附在鉑催化劑表面，使鉑活性位點失效。吸附在載體上又會影響載體憎水性和傳質性能。Ⅱ.PFSA樹脂的聚合物鏈末端羧基對HO·和HOO·濃度敏感，易引發(fā)PFSA樹脂衰減，產生HF、CO2③.Ionomer的衰減1目錄第一章：燃料電池零部件第四節(jié)：質子膜質子膜的功能及工作過程質子膜的材料質子膜的失效分類及機理質子膜的衰減分類及機理-機械衰減質子膜的失效分類及機理-化學衰減1.質子膜的功能及工作過程（1）分隔陽極和陰極的氣體；（2）傳導質子；（3）隔離電子，形成電路。質子交換膜的功能運載機理(由膜中壓力驅動的水的對流流動)Grotthuss機理(由質子驅動的流動)質子的傳輸機理2.質子膜的材料結構優(yōu)點缺點全氟磺酸質子交換膜質子傳導率較高，耐酸堿、耐熱的穩(wěn)定性較好燃料滲透，成本較高部分含氟磺酸質子交換膜良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性以及吸水率制備工藝過于繁瑣且磺化條件較為困難，接枝率普遍較低非氟磺酸質子交換膜高性能、低成本在普通溶劑中溶解性和加工性能較差，產率較低其他新型材料的質子交換膜具有良好的熱穩(wěn)定性質子傳導率不高，電池性能不佳H2PO43.質子膜的失效分類及機理化學失效機械失效主要原因：自由基的攻擊長期腐蝕，緩慢積累早期出現(xiàn)主要原因：①非均勻預緊力②溫濕應力循環(huán)③啟停氣流沖擊等主要影響：質子交換膜減薄質子傳導率下降主要影響：孔洞和裂紋漏氣·OH·OOHH2O2①②③HFH2SO4CO2主鏈官能團支鏈

厚度：30~50μm目錄第一章：燃料電池零部件第五節(jié)：GDLGDL功能GDL材料分類GDL結構及特點GDL特性參數(shù)1.GDL功能目的、作用1、支撐催化層（CL）2、同時滿足反應氣與產物水的傳輸3、電子傳輸(FF與CL之間)GDL是PEM燃料電池的關鍵部件之一1、接觸電阻小（與催化層Pt/C之間）2、熱的良導體3、高孔隙率、適宜的孔徑4、不易腐蝕降解碳基碳紙?zhí)疾剂己玫臋C械強度和大范圍的穩(wěn)定性、壽命問題廣泛用于堿性燃料電池鈦網碳氈金屬微銅板2.GDL材料分類高孔隙率、彎曲度低濕度下增強膜水化鈦網表面高孔隙率、彎曲度低高電密下快速除水機械強度較高3.GDL特性參數(shù)微觀特性物理特性形貌導熱性宏觀表征傳質特性導電性孔隙率分布彎曲半徑力學纖維結構直徑、厚度接觸角壓縮抗彎、抗拉體熱阻接觸熱阻IP/TP體電阻接觸電阻IP/TP滲透率擴散系數(shù)IP/TP評測方法ex-situin-situ3.GDL特性參數(shù)3.GDL特性參數(shù)目錄第一章：燃料電池零部件第六節(jié)：水氣傳輸及阻抗燃料電池水氣傳輸機理燃料影響因素分析1.燃料電池水氣傳輸機理膜電極內部傳輸效應多且界面關系復雜膜電極內部水的傳輸過程Hydrogenenergy,9461-9478(2009)電池內部產生的水主要聚集在陰極，產自催化層，途徑氣體擴散層，最終傳輸?shù)搅鞯来底?。電池內部水的排出過程1.燃料電池水氣傳輸機理氣體擴散層水傳輸毛細效應對流與擴散相變電池內部產生的水主要聚集在陰極，產自催化層，途徑氣體擴散層，最終傳輸?shù)搅鞯来底摺rogressinEnergyandCombustionScience37(2011)221-2911.燃料電池水氣傳輸機理水在氣體擴散層內傳輸過程CL反應不斷產生水，當CL與MPL之間水的壓力大于毛細力時，水進入毛細孔內水會優(yōu)先通過孔徑較大的纖維孔，因為毛細力較小多孔道水同時突破形成路徑某一通道形成排水路徑后，將會優(yōu)先從該通道排水，其它發(fā)展的排水路徑有所變短液滴排出后，回到圖一狀態(tài)繼續(xù)發(fā)展液滴突破傳輸通道2.燃料影響因素分析（水、氣、熱、力等）熱量在質子交換膜上傳遞：熱傳導催化層和氣體擴散層：熱傳導和熱對流水熱傳輸耦合：蒸發(fā)和凝結過程會伴隨著熱量的吸收和釋放由于熱管效應（溫度梯度引起水的相變和凈傳質），水和熱的傳輸同時發(fā)生飽和蒸氣壓與局部溫度密切相關熱傳輸現(xiàn)象2.燃料影響因素分析（水、氣、熱、力等）熱源及分布電化學反應產熱歐姆熱相變熱傳導與對流換熱目錄第二章：燃料電池裝配第一節(jié)：燃料電池裝配結構燃料電池裝配關鍵零部件：極板膜電極密封元件集流板絕緣板端板ForceForce裝配作用：1）導電性2）減小接觸電阻3）密封燃料電池裝配燃料電池裝配裝配力的影響電池受力不均勻接觸電阻升高壓力分布不一致電池性能差異部件損壞電池內部受力不均勻會造成電堆輸出性能下降燃料電池裝配受力不均勻端板變形Channelheight0.4±0.015mm流道高度極板翹曲根據(jù)總成方式的不同，燃料電池電堆總成主要包含螺桿裝配、拉桿式裝配、捆扎裝配和整體式裝配等螺桿裝配捆扎裝配拉桿裝配主要裝配結構分類一體式裝配燃料電池裝配燃料電池裝配部件制造誤差、裝配誤差、形狀誤差等不可避免，層疊式總成引起多源誤差累積，如何描述制造誤差累積對電堆一致性和可靠性的影響理想工況實際工況尺寸誤差裝配誤差形狀誤差單元電池一致性降低30%以上單元電池性能一致目錄第二章：燃料電池裝配第二節(jié)：燃料電池密封密封的重要性密封基本結構密封判斷密封評價實驗密封材料分類:四種橡膠材料壓縮性能比較密封設計和MEA匹配1.密封的重要性2.密封基本結構3.密封問題膠線自由狀態(tài)下長度超差使用后雙極板長邊膠線脫落4.密封判斷氣體密封條件：P0初始預緊力PG

密封介質內壓力k側壓系數(shù)，k=v(1-v),橡膠密封件k

約為0.9-0.985密封圈不泄漏安全距離適當提高壓縮率，增大初始預緊力，可提高密封性提高密封元件硬度，可提高密封性壓縮率過大或材料過硬，有可能造成永久性變形，或因應力松弛而失效4.密封判斷常規(guī)密封穩(wěn)定性條件：摩擦力大于內壓力——安全系數(shù)密封圈不滑移——摩擦力——壓縮后高度理想密封下，安全系數(shù)越大，密封可靠性越高MEA邊框材料硬度較小極板密封墊槽角度燃料電池密封元件防滑動安全距離MEAgasketBPPMEAborderpath1path2path3密封設計原則：MEA合適壓縮率下，密封元件達到密封效果密封元件具有一定的抗錯位能力密封邊框和PEM處應力集中盡量小5.密封設計和MEA匹配5.電堆密封設計—合適壓縮率密封參數(shù)設計備注：如圖所示，MEA以及密封圈均表示電池裝配壓縮后的狀態(tài)。D1：MEA邊框中心線到密封條上邊緣的距離；D2：MEA壓縮后中心線到密封槽內脊上邊緣的距離；D3：密封槽槽深；D4：密封圈壓縮后高度。密封槽裝配尺寸鏈MEA為NT-MEA5.電堆密封設計—合適壓縮率密封槽裝配尺寸鏈閉環(huán)：D4增環(huán)：D2，D3減環(huán)：D1已知：MEA厚度0.54±0.02mm

邊框厚度0.28±0.02mm

密封槽槽深0.40±0.02mmMEA壓縮率20%D1：0.14±0.01mmD2:0.27±0.01mmD3：0.40±0.02mm設定當碳紙壓縮率為20%時，密封膠條的壓縮率為20%按照以上設定計算尺寸鏈參數(shù)密封參數(shù)設計安全距離氣壓+加熱壓縮電池裝配模擬0.975mm9.8°0.901mm0.927mm1.023mm壓縮后評價結果電池運行模擬5.密封設計—抗錯位能力5.密封設計—連接處抗應力集中裝配過程溫濕加載氣體加載裝配壓縮溫濕加載氣壓加載5.密封設計—連接處抗應力集中裝配后（previous3.1MPa）溫濕氣體加載后(Previous7.2MPa)（1）密封材料實驗硅橡膠SR三元乙丙橡膠EPDM丁腈橡膠NBR氟橡膠FRR密封材料裝配因素工作環(huán)境應變率溫度壓縮應力應變壓縮應力應變永久變形6.密封材料評價選擇單軸壓縮試驗試驗說明直徑29mm，高度10mm的硅橡膠圓柱體temperature℃2060100LoadingrateMm/min21020Compressionratio40%測試前將試樣預熱30分鐘達到需要的溫度3個試樣進行重復性實驗，并單獨測試每個試樣在三個溫度下的應力應變曲線PressheadPressheadHeatingboxspecimen6.1密封評價實驗永久變形測試試驗說明直徑29mm，高度10mm的硅橡膠圓柱體temperature℃20100LoadingrateMm/min10Compressionratio30%測試前將試樣預熱30分鐘達到需要的溫度PressheadPressheadHeatingboxspecimen6.1.密封評價實驗結果評價

壓縮后位移壓縮時位移其中，c越大，材料永久變形越嚴重6.1密封評價實驗LSREPDMNBRFRCompressionratio2mm/min四種材料的壓縮應力都隨著溫度的升高而降低，且在20-60℃下降幅度較大；硅橡膠LSR隨著溫度的變化應力變化值最小，三元乙丙橡膠EPDM隨溫度的變化最明顯，說明LSR溫度穩(wěn)定性最好，EPDM溫度穩(wěn)定性最差。6.2密封材料分類:四種橡膠材料壓縮性能比較Compressionratio20mm/minLSREPDMNBRFR四種材料的壓縮應力都隨著溫度的升高而降低，且在20-60℃下降幅度較大；硅橡膠LSR隨著溫度的變化應力變化值最小，三元乙丙橡膠EPDM隨溫度的變化最明顯，說明LSR溫度穩(wěn)定性最好，EPDM溫度穩(wěn)定性最差。6.2密封材料分類:四種橡膠材料壓縮性能比較應變速率對材料力學性能的影響和溫度相關，隨著溫度的增加，其影響效果逐漸減?。唬☉兯俾蕝^(qū)間2mm/min-20mm/min）隨著溫度的升高，材料逐漸軟化，相同應變下應力逐漸減?。黄渲?，硅橡膠受溫度影響最小，三元乙丙橡膠影響最大；隨著溫度的升高，材料力學性能變化趨勢逐漸變緩。6.2密封材料分類:四種橡膠材料壓縮性能比較Temperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）209.86.3719.732.041009.86.3719.654.37不同溫度下永久變形6.3密封材料分類:硅橡膠-LSRTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2095.8518.728.8910095.8517.2455.89不同溫度下永久變形6.3密封材料分類:三元乙丙橡膠-EPDMTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2010.87.02110.31512.810010.87.0218.61557.82不同溫度下永久變形6.3密封材料分類:丁腈橡膠-NBRTemperature(℃)Originheight(mm)Pressedheight(mm)Finalheight(mm)Permanentdeformation（%）2010.256.669.7015.3210010.256.669.68515.74不同溫度下永久變形6.3密封材料分類:氟橡膠-FR在20℃時，LSR永久變形最小，F(xiàn)R永久變形最大；隨著溫度增加，永久變形逐漸增大；EPDM和NBR永久變形變化最大；FR永久變形率基本沒變，LSR永久變形率絕對值最?。?.3密封材料分類:總結目錄第二章：燃料電池裝配第三節(jié)：電堆的CFD分析燃料電池電堆水氣分配燃料電池電堆總管分配——實驗研究燃料電池電堆總管分配——CFD仿真研究燃料電池極板流場分配——CFD仿真研究1.燃料電池電堆水氣分配燃料電池電堆水氣分配主要包括總管以及極板流場分配總管分配均勻性壓降大小流場分配均勻性壓降大小2.燃料電池電堆總管分配——實驗研究?；瘜嶒炑b置、PIV圖像、極板嵌入傳感器2010加拿大維多利亞大學Suietal.2011總管湍流[InternationalJournalofHydrogenEnergy]2012入口形狀、極板阻力丹麥技術研究院Leb?ketal.[JournalofFuelCellScienceandTechnology]電堆運行狀態(tài)印度安納馬萊大學Bhabaetal.[InternationalJournalofRenewableEnergyResearch]3.燃料電池電堆總管分配——CFD仿真研究2013年韓國加德士公司的Han采用總管分配CFD模型研究總管尺寸對流體分配的影響2019年國立馬來西亞大學的E.H.Majlan建立了3D多場耦合電堆模型，研究了電池數(shù)量對電堆性能的影響總管分配CFD模型、多物理場耦合電堆模型4.燃料電池極板流場分配——CFD仿真研究CFD仿真技術：由單向流仿真向考慮氣液作用的VOF方法表征流體分配均勻性和排水能力，結合電化學仿真揭示反應均勻性LishengCheng,ECM,2018.MohammadJ,ECM,2017單相流體分布均勻性仿真電化學反應均勻性仿真KuiJiao,IJHE,2017VOF兩相流仿真5.燃料電池電堆總管分配——實驗分析5.燃料電池電堆總管分配——仿真分析單電池壓降分布流體分配仿真目錄第三章：燃料電池測試第一節(jié)：活化機理及目的1.活化機理及目的1.活化機理及目的電堆活化目的：PEM以及催化劑的離聚物潤濕整體電極結構的形成催化劑表面的雜質去除活化曲線圖譜恒流自然活化恒流強制活化變流強制活化強制活化優(yōu)于自然活化；變流強制活化優(yōu)于恒流強制活化；變流強制活化所用的時間相對于恒流強制活化及自然活化均大大縮短電堆活化電堆活化工藝電堆活化過程其實就是PEMFC被強制放電的過程，對電子、質子、氣體和水傳輸通道的建立及電極結構的優(yōu)化過程。目錄第三章：燃料電池測試第二節(jié)：伏安曲線階段分析極化曲線電流中斷電化學阻抗譜1.極化曲線一般理想極化曲線

1.電堆極化曲線與電化學阻抗譜測試擁有Greenlight-G200和Hephas-HS6K燃料電池測試平臺和自主研發(fā)的燃料測試系統(tǒng)。具備電化學阻抗譜（EIS）測量功能