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燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。
同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。
动力性是指燃料电池发动机为整车提供动力输出的能力及与之密切相关的性能,主要反映了燃料电池发动机设计和评价人员对于其满足整车行驶､加速､爬坡和用电要求的评价｡动力性指标对于燃料电池动力系统设计､参数匹配､燃料电池汽车整车动力性指标等都具有十分重要的指导和参考意义｡
衡量燃料电池发动机动力性的主要指标包括:额定净输出功率､过载功率及过载功率持续时间､体积比功率､质量比功率｡
燃料电池发动机在制造厂规定的额定工况下能够持续工作的净输出功率,即燃料电池堆输出功率减去辅助系统消耗功率后所剩的功率,单位为千瓦(kW)｡额定净输出功率反映了燃料电池发动机在最常用的额定工况下为整车提供功率输出的能力｡
过载功率反映了燃料电池发动机在最高车速下的后备功率输出能力,仍然由车辆行驶的功率平衡方程可知,它决定了整车在极限工况下的动力学性能｡过载功率持续时间与过载功率成对使用,单位为秒(s)｡
燃料电池发动机单位体积能够输出的额定功率,单位为kW/L｡体积比功率反映燃料电池系统设计的空间紧凑程度,与汽车总布置形式密切相关｡
燃料电池发动机单位质量能够输出的额定功率,单位为kW/kg或W/kg｡质量比功率也称为功率密度,反映燃料电池系统轻量化设计水平,对汽车轻量化设计具有重要意义｡体积比功率和质量比功率是燃料电池发动机的重要性能指标,能够反映其系统集成度｡
经济性是指燃料电池发动机在满足其他方面要求的前提下,尽可能少地消耗能源和成本的性能｡经济性指标对于提高燃料电池汽车续驶里程､降低燃料电池发动机和燃料电池汽车的成本并促进其商业化具有重要意义｡经济性主要指标包括:额定功率下的发动机效率､额定功率氢消耗率､怠速氢消耗率､有效氢利用率及单位功率成本等｡
燃料电池发动机在额定功率输出时,净输出功率与进入燃料电池堆的燃料热值(低热值)之比｡该指标为最常用的衡量经济性的指标｡
燃料电池发动机在额定功率输出状态下单位时间的氢消耗量,单位为g/s｡额定功率氢消耗率与燃料电池汽车的续驶里程密切相关｡
燃料电池发动机在怠速状态下单位时间的氢消耗量,单位为g/s｡燃料电池汽车工况复杂多变,而怠速是汽车经常遇见的情况｡尽管在混合动力系统中,燃料电池系统怠速与车辆的怠速并不同时出现,而且通过优化系统配置和控制策略可以大幅减少怠速时间,但是怠速工况仍然会出现｡
有效氢利用率是燃料电池发动机在正常工作条件下,由燃料电池堆通过电化学反应转换为水的氢气占总共所加注氢气的质量百分比｡有效氢利用率通常小于100%,主要是由于阳极排放造成的｡提高有效氢利用率,不但有利于提高燃料经济性,而且也有助于减少排氢｡
动态响应特性是指燃料电池发动机在非稳态工况下的快速响应能力｡燃料电池汽车工况复杂多变,功率需求变化较大,要求燃料电池发动机有好的动态响应特性以及时满足整车动力需求｡动态响应特性的指标包括:启动时间､零下冷启动时间､平均功率加载速率及0%-100%额定功率响应时间等｡
燃料电池发动机在室温下(25℃)从开始启动到进入怠速的响应时间,单位为s｡
燃料电池发动机在低于0℃温度下从开始启动到进入怠速的响应时间,单位为s｡在同样的低温下,该时间越短,燃料电池发动机的动态性越好｡
燃料电池响应整车控制器功率需求,给出的可以进行变加载的速率,单位为kW/s。功率加载速率反映了运行状态下燃料电池发动机的动态响应水平｡
燃料电池发动机从怠速状态(0%额定功率)到额定输出(100%额定功率)的响应时间,单位为s｡
功率品质是指燃料电池发动机在工作过程中平稳输出电功率的性能,反映了燃料电池发动机输出功率的品质｡特别要求燃料电池发动机输出电压应保持一定的平稳性,以利于直流变换器及其他高压电器工作｡其主要指标包括:电压范围､额定功率下电压波动带宽､过载工况下电压下降百分比等｡
燃料电池发动机在全工况下的电压范围,单位为Ⅴ｡全工况电压范围包括了从燃料电池发动机的开路电压到最大电流密度下的电压,反映了燃料电池发动机的功率品质｡
燃料电池发动机在额定功率输出时电压波动的带宽(幅度),单位为Ⅴ｡该指标反映了燃料电池发动机平稳输出额定功率的能力｡
该指标是指燃料电池发动机在过载工况下相对于额定工况电压下降的百分数｡若在过载工况下电压下降过多,会造成输出功率下降,无法满足过载功率的输出要求｡
环境适应性是指燃料电池发动机适应周围环境的能力,主要反映了对于燃料电池发动机在不同环境条件下均能按预期要求､可靠工作的特性｡在设计燃料电池发动机时,必须考虑满足环境适应性指标,以保证燃料电池汽车能够在各种环境下正常行驶｡常见的适应性指标包括:最低启动温度､工作环境温度范围､工作海拔范围､存储温度范围等｡
燃料电池发动机能够启动成功的最低环境温度,单位为℃｡低温启动是燃料电池汽车商业化的技术瓶颈之一｡降低最低启动温度,是提高燃料电池发动机低温适应性的重要目标｡
该指标是指燃料电池发动机可以非失效工作的环境温度范围｡环境温度主要对燃料电池发动机散热､进气温度等有很大影响｡
该指标是指燃料电池发动机可以正常工作的海拔范围｡海拔影响进气压力,越高往往越会导致功率下降｡
燃料电池发动机在存储期间可能会经历诸如冻结/解冻循环,导致性能衰退,因此存储温度范围也体现了其对环境的适应性｡
可靠性是指燃料电池发动机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力,主要反映了燃料电池发动机持续稳定､正确工作的特性｡燃料电池发动机的可靠性在很大程度上决定了燃料电池汽车整车的可靠性｡这里主要参考传统发动机的可靠性评价指标｡机械标准中给出的评定指标是平均首次故障时间､平均故障间隔时间､当量故障率及由此得到的综合评定分数｡国家标准中规定要评定故障停车次数､首次故障的时间及平均故障时间｡考虑到燃料电池发动机自身的特点,结合常用的可靠性评价指标,选定平均首次故障时间､平均故障间隔时间和平均修复时间三个指标｡
燃料电池发动机在首次故障前所运行的时间的平均值,单位为h｡
燃料电池发动机发生相邻两次故障之间所运行时间的平均值,单位为h｡
燃料电池发动机修复故障所用时间的平均值,单位为h｡
质子交换膜燃料在平稳工作时寿命可以高达到100000h,但是在汽车应用中,往往无法达到上述期望值｡燃料电池汽车耐久性主要受燃料电池性能衰退和寿命极限影响｡
燃料电池发动机寿命,以额定功率输出衰减到原来的90%的工作时间来评价,单位为h｡
对车用燃料电池发动机在实际运行条件的性能变化进行数据跟踪,可以得到燃料电池发动机实际运行中输出电压的缓慢变化,即同样电流(电流密度)及工作条件下,输出的功率降低了｡以小时为间隔的电压衰退率单位为μV/h｡不同时间段极化特性曲线变化及不同电流下输出功率变化如图3-65所示｡
图3-65 不同时间段极化特性曲线变化及不同电流下输出功率变化
安全性是指燃料电池发动机能够安全工作,避免对人､设备或自身造成伤害的能力｡由于涉及可燃气体氢气和各种电气设备,要求燃料电池发动机能够在不发生事故的前提下正常工作,而不对人或财产造成损失｡
1)、氢气系统应严防泄漏,所用的仪表及阀门等零部件密封应确保良好,确保定期检查,对设备发生氢气泄漏的部位应及时处理｡
2)、对氢气系统中的管道和阀门等连接点进行漏气检查时,应使用中性肥皂水或携带式可燃气体检测报警仪,禁止使用明火进行漏气检查｡携带式可燃气体检测报警仪应定期校验｡
3)、氢气管道应采用无缝金属管道,禁止采用铸铁管道,管道的连接应采用焊接或其他可有效防止氢气泄漏的连接方式｡管道应采用密封性能好的阀门和附件,管道上的阀门宜采用球阀､截止阀｡阀门材料的选择应符合GB50177-2005中表12.0.3的规定,管道上法兰､垫片的选择应符合GB50177-2005中表12.0.4的规定｡管道之间不宜采用螺纹密封连接,氢气管道与附件连接的密封垫,应采用不锈钢､有色金属､聚四氟乙烯或氟橡胶材料,禁止用生料带或其他绝缘材料作为连接密封手段｡
燃料电池发动机的尾排氢气一般与空气尾排混合稀释后由尾排管排出,排放氢气浓度要求低于爆炸极限,一般要求小于2%｡
①、应及时切断气源,并迅速撤离泄漏污染区人员至上风区｡
②、对泄漏污染区进行通风,对已泄漏的氢气进行稀释,若不能及时切断时,应采用蒸汽进行稀释,防止氢气积聚形成爆炸性气体混合物｡
③、若泄漏发生在室内,宜使用吸风系统或将泄漏的气瓶移至室外,以避免泄漏的氢气四处扩散｡
①、应及时切断气源.此外氢气系统应保持正压状态,防止氢气系统发生回火｡
②、采取措施,防止火灾扩大,如采用大量消防水雾喷射其他易燃物质和相邻设备;如有可能,可将燃烧设备从火场移至空旷处｡
③、氢火焰肉眼不易察觉,消防人员应佩戴自给式呼吸器,穿防静电服进入现场,注意防止外露皮肤烧伤｡
燃料电池发动机系统高压电安全非常重要,除了系统设计安装时对电气间隙和爬电距离设置安全距离外,还涉及燃料电池堆内部冷却液的导电性(电导率),燃料电池发动机系统在运行过程中会析出离子增加冷却液的导电性,降低整个系统的安全性｡因此需要实时监控燃料电池发动机系统的绝缘性｡当前国家标准对燃料电池发动机系统的绝缘要求为≥100Ω/V(GB/T25319-2010)。
根国家标准对燃料电池发动机系统绝缘电阻值的安全要求,在设计时可以在绝缘电阻检测系统中设置两级报警(400V平台为例):一级报警为绝缘电阻≤100k,二级报警为绝缘电阻≤50k｡当发生一级报警时,上报故障;当发生二级报警时,强行切断高压电并上报故障｡
电气间隙：两个导电部分之间的最短直线距离(IEC60050-441:1984,441-17-31)
爬电距离：两个导电部分之间沿固体绝缘材料表面的最短距离(GB/T2900.83-2008,151-15-50)｡
绝缘电阻:绝缘物在规定条件下的直流电阻:加直流电压于电介质,经过一定时间极化过程结束后､流过电介质的泄漏电流对应的电阻称绝缘电阻,是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。
噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音,影响他人的声音都是噪声｡虽然燃料电池发动机产生的噪声同传统内燃机噪声相比有了很大改善,但是燃料电池系统产生的噪声也不容忽视｡燃料电池发动机的主要噪声来源于空气子系统和氢气子系统,此外还有其他固定部件振动产生的噪声,
燃料电池系统中空气子系统中的空压机和氢气子系统中的电控喷氢阀､氢气循环泵是噪声的主要来源｡
针对空气子系统的噪声来源,处理措施包括:优化主噪声源的零部件的悬挂位置及结构(如空压机);调整进气系统和其他产生噪声零部件的位置,优化空气管路结构,减少气体涡流的形成;在进排气口加装消声器､在噪声源外加隔声材料等｡
2)、氢气子系统的主要噪声源为氢气循环泵或者电控喷氢阀引起的噪声｡其中氢气环泵的噪声主要是由于泵和支架之间的振动引起的低频噪声,可以通过修改氢泵橡胶弹性支架刚度特性,控制氢泵振动向车身板件的传递,达到降低噪声的目的｡电控喷氢阀的主要噪声为管道内高压氢气的流噪声以及喷射器本体电磁阀开关闭合的声音｡这两种声音都是通过空气路径和结构路径传播的,因此可以在喷射前后加装消声装置,将喷射装置与燃料电池发动机通过橡胶悬挂连接等方式达到降低噪声的效果｡
电磁噪声主要是由燃料电池系统中相关零部件上电机气隙内的永磁磁场和电枢反应磁场相互作用,而产生径向电磁力,由于径向电磁力随时间､空间发生变化,使电机壳体､定子铁心等随时间产生周期性变化的振动和噪声｡燃料电池系统中的电磁噪声主要包括空压机､冷却水泵产生的低频噪声｡处理措施:可以通过加强机械结构的低频隔声量降低电磁噪声;采用共振吸收结构实现电磁噪声的吸收｡
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原文始发于微信公众号（氢能之家）：燃料电池发动机各项参数介绍
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