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    燃料電池發動機各項參數介紹

    發布日期: 2022-03-18
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    燃料電池是一種能量轉化裝置,它是按電化學原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能,因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,電子經外電路傳導到陰極并與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質遷移到陽極上,與燃料氣反應,構成回路,產生電流。


    同時,由于本身的電化學反應以及電池的內阻,燃料電池還會產生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外,也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時,陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結構,以便于反應氣體的通入和產物排出。電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路,電解質通常為致密結構。


    1、動力性


    動力性是指燃料電池發動機為整車提供動力輸出的能力及與之密切相關的性能,主要反映了燃料電池發動機設計和評價人員對于其滿足整車行駛?加速?爬坡和用電要求的評價?動力性指標對于燃料電池動力系統設計?參數匹配?燃料電池汽車整車動力性指標等都具有十分重要的指導和參考意義?





    圖片


    衡量燃料電池發動機動力性的主要指標包括:額定凈輸出功率?過載功率及過載功率持續時間?體積比功率?質量比功率?

    (1)、額定凈輸出功率


    燃料電池發動機在制造廠規定的額定工況下能夠持續工作的凈輸出功率,即燃料電池堆輸出功率減去輔助系統消耗功率后所剩的功率,單位為千瓦(kW)?額定凈輸出功率反映了燃料電池發動機在常用的額定工況下為整車提供功率輸出的能力?

    (2)、過載功率及過載功率持續時間


    過載功率反映了燃料電池發動機在最高車速下的后備功率輸出能力,仍然由車輛行駛的功率平衡方程可知,它決定了整車在極限工況下的動力學性能?過載功率持續時間與過載功率成對使用,單位為秒(s)?

    (3)、體積比功率


    燃料電池發動機單位體積能夠輸出的額定功率,單位為kW/L?體積比功率反映燃料電池系統設計的空間緊湊程度,與汽車總布置形式密切相關?

    (4)、質量比功率


    燃料電池發動機單位質量能夠輸出的額定功率,單位為kW/kg或W/kg?質量比功率也稱為功率密度,反映燃料電池系統輕量化設計水平,對汽車輕量化設計具有重要意義?體積比功率和質量比功率是燃料電池發動機的重要性能指標,能夠反映其系統集成度?


    2 、經濟性



    經濟性是指燃料電池發動機在滿足其他方面要求的前提下,盡可能少地消耗能源和成本的性能?經濟性指標對于提高燃料電池汽車續駛里程?降低燃料電池發動機和燃料電池汽車的成本并促進其商業化具有重要意義?經濟性主要指標包括:額定功率下的發動機效率?額定功率氫消耗率?怠速氫消耗率?有效氫利用率及單位功率成本等?

    (1)、額定功率下的發動機效率


    燃料電池發動機在額定功率輸出時,凈輸出功率與進入燃料電池堆的燃料熱值(低熱值)之比?該指標為常用的衡量經濟性的指標?

    (2)、額定功率氫消耗率


    燃料電池發動機在額定功率輸出狀態下單位時間的氫消耗量,單位為g/s?額定功率氫消耗率與燃料電池汽車的續駛里程密切相關?

    (3)、怠速氫消耗率


    燃料電池發動機在怠速狀態下單位時間的氫消耗量,單位為g/s?燃料電池汽車工況復雜多變,而怠速是汽車經常遇見的情況?盡管在混合動力系統中,燃料電池系統怠速與車輛的怠速并不同時出現,而且通過優化系統配置和控制策略可以大幅減少怠速時間,但是怠速工況仍然會出現?

    (4)、有效氫利用率


    有效氫利用率是燃料電池發動機在正常工作條件下,由燃料電池堆通過電化學反應轉換為水的氫氣占總共所加注氫氣的質量百分比?有效氫利用率通常小于100%,主要是由于陽極排放造成的?提高有效氫利用率,不但有利于提高燃料經濟性,而且也有助于減少排氫?



    3 、動態響應特性



    動態響應特性是指燃料電池發動機在非穩態工況下的快速響應能力?燃料電池汽車工況復雜多變,功率需求變化較大,要求燃料電池發動機有好的動態響應特性以及時滿足整車動力需求?動態響應特性的指標包括:啟動時間?零下冷啟動時間?平均功率加載速率及0%-100%額定功率響應時間等?

    (1)、啟動時間


    燃料電池發動機在室溫下(25℃)從開始啟動到進入怠速的響應時間,單位為s?

    (2)、零下冷啟動時間


    燃料電池發動機在低于0℃溫度下從開始啟動到進入怠速的響應時間,單位為s?在同樣的低溫下,該時間越短,燃料電池發動機的動態性越好?

    (3)、平均功率加載速率


    燃料電池響應整車控制器功率需求,給出的可以進行變加載的速率,單位為kW/s。功率加載速率反映了運行狀態下燃料電池發動機的動態響應水平?

    (4)、0%-100%額定功率響應時間


    燃料電池發動機從怠速狀態(0%額定功率)到額定輸出(100%額定功率)的響應時間,單位為s?



    4 、功率品質



    功率品質是指燃料電池發動機在工作過程中平穩輸出電功率的性能,反映了燃料電池發動機輸出功率的品質?特別要求燃料電池發動機輸出電壓應保持一定的平穩性,以利于直流變換器及其他高壓電器工作?其主要指標包括:電壓范圍?額定功率下電壓波動帶寬?過載工況下電壓下降百分比等?

    (1)、電壓范圍


    燃料電池發動機在全工況下的電壓范圍,單位為Ⅴ?全工況電壓范圍包括了從燃料電池發動機的開路電壓到最大電流密度下的電壓,反映了燃料電池發動機的功率品質?

    (2)、額定功率下電壓波動帶寬


    燃料電池發動機在額定功率輸出時電壓波動的帶寬(幅度),單位為Ⅴ?該指標反映了燃料電池發動機平穩輸出額定功率的能力?

    (3)、過載工況下電壓下降百分比


    該指標是指燃料電池發動機在過載工況下相對于額定工況電壓下降的百分數?若在過載工況下電壓下降過多,會造成輸出功率下降,無法滿足過載功率的輸出要求?


    5 、環境適應性


    環境適應性是指燃料電池發動機適應周圍環境的能力,主要反映了對于燃料電池發動機在不同環境條件下均能按預期要求?可靠工作的特性?在設計燃料電池發動機時,必須考慮滿足環境適應性指標,以保證燃料電池汽車能夠在各種環境下正常行駛?常見的適應性指標包括:低啟動溫度?工作環境溫度范圍?工作海拔范圍?存儲溫度范圍等?

    (1)、低啟動溫度


    燃料電池發動機能夠啟動成功的低環境溫度,單位為℃?低溫啟動是燃料電池汽車商業化的技術瓶頸之一?降低低啟動溫度,是提高燃料電池發動機低溫適應性的重要目標?

    (2)、工作環境溫度范圍


    該指標是指燃料電池發動機可以非失效工作的環境溫度范圍?環境溫度主要對燃料電池發動機散熱?進氣溫度等有很大影響?

    (3)、工作海拔范圍


    該指標是指燃料電池發動機可以正常工作的海拔范圍?海拔影響進氣壓力,越高往往越會導致功率下降?

    (4)、存儲溫度范圍


    燃料電池發動機在存儲期間可能會經歷諸如凍結/解凍循環,導致性能衰退,因此存儲溫度范圍也體現了其對環境的適應性?


    6 、可靠性



    可靠性是指燃料電池發動機在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力,主要反映了燃料電池發動機持續穩定?正確工作的特性?燃料電池發動機的可靠性在很大程度上決定了燃料電池汽車整車的可靠性?這里主要參考傳統發動機的可靠性評價指標?機械標準中給出的評定指標是平均故障時間?平均故障間隔時間?當量故障率及由此得到的綜合評定分數?國家標準中規定要評定故障停車次數?故障的時間及平均故障時間?考慮到燃料電池發動機自身的特點,結合常用的可靠性評價指標,選定平均故障時間?平均故障間隔時間和平均修復時間三個指標?

    (1)、平均故障時間


    燃料電池發動機在故障前所運行的時間的平均值,單位為h?

    (2)、平均故障間隔時間


    燃料電池發動機發生相鄰兩次故障之間所運行時間的平均值,單位為h?

    (3)、平均修復時間


    燃料電池發動機修復故障所用時間的平均值,單位為h?


    7 、耐久性



    質子交換膜燃料在平穩工作時壽命可以高達到100000h,但是在汽車應用中,往往無法達到上述期望值?燃料電池汽車耐久性主要受燃料電池性能衰退和壽命極限影響?


    (1)、發動機壽命


    燃料電池發動機壽命,以額定功率輸出衰減到原來的90%的工作時間來評價,單位為h?

    (2)、電壓衰退率


    對車用燃料電池發動機在實際運行條件的性能變化進行數據跟蹤,可以得到燃料電池發動機實際運行中輸出電壓的緩慢變化,即同樣電流(電流密度)及工作條件下,輸出的功率降低了?以小時為間隔的電壓衰退率單位為μV/h?不同時間段極化特性曲線變化及不同電流下輸出功率變化如圖3-65所示?


    圖片

    圖3-65 不同時間段極化特性曲線變化及不同電流下輸出功率變化



    8、 安全性



    安全性是指燃料電池發動機能夠安全工作,避免對人?設備或自身造成傷害的能力?由于涉及可燃氣體氫氣和各種電氣設備,要求燃料電池發動機能夠在不發生事故的前提下正常工作,而不對人或財產造成損失?


    8.1、 氫安全



    (1)、供氫系統的安全要求及規范

    1)、氫氣系統應嚴防泄漏,所用的儀表及閥門等零部件密封應確保良好,確保定期檢查,對設備發生氫氣泄漏的部位應及時處理?


    2)、對氫氣系統中的管道和閥門等連接點進行漏氣檢查時,應使用中性肥皂水或攜帶式可燃氣體檢測報警儀,禁止使用明火進行漏氣檢查?攜帶式可燃氣體檢測報警儀應定期校驗?


    3)、氫氣管道應采用無縫金屬管道,禁止采用鑄鐵管道,管道的連接應采用焊接或其他可有效防止氫氣泄漏的連接方式?管道應采用密封性能好的閥門和附件,管道上的閥門宜采用球閥?截止閥?閥門材料的選擇應符合GB50177-2005中表12.0.3的規定,管道上法蘭?墊片的選擇應符合GB50177-2005中表12.0.4的規定?管道之間不宜采用螺紋密封連接,氫氣管道與附件連接的密封墊,應采用不銹鋼?有色金屬?聚四氟乙烯或氟橡膠材料,禁止用生料帶或其他絕緣材料作為連接密封手段?

    (2)、尾排氫氣要求

    燃料電池發動機的尾排氫氣一般與空氣尾排混合稀釋后由尾排管排出,排放氫氣濃度要求低于爆炸極限,一般要求小于2%?

    (3)、消防和緊急情況處理措施


    1)、氫氣發生大量泄漏或積聚時,應采取以下措施:


    ①、應及時切斷氣源,并迅速撤離泄漏污染區人員至上風區?


    ②、對泄漏污染區進行通風,對已泄漏的氫氣進行稀釋,若不能及時切斷時,應采用蒸汽進行稀釋,防止氫氣積聚形成爆炸性氣體混合物?


    ③、若泄漏發生在室內,宜使用吸風系統或將泄漏的氣瓶移至室外,以避免泄漏的氫氣四處擴散?

    2)、氫氣發生泄漏并著火時應采取以下措施:


    ①、應及時切斷氣源.此外氫氣系統應保持正壓狀態,防止氫氣系統發生回火?


    ②、采取措施,防止火災擴大,如采用大量消防水霧噴射其他易燃物質和相鄰設備;如有可能,可將燃燒設備從火場移至空曠處?


    ③、氫火焰肉眼不易察覺,消防人員應佩戴自給式呼吸器,穿防靜電服進入現場,注意防止外露皮膚燒傷?

    燃料電池發動機系統高壓電安全非常重要,除了系統設計安裝時對電氣間隙和爬電距離設置安全距離外,還涉及燃料電池堆內部冷卻液的導電性(電導率),燃料電池發動機系統在運行過程中會析出離子增加冷卻液的導電性,降低整個系統的安全性?因此需要實時監控燃料電池發動機系統的絕緣性?當前國家標準對燃料電池發動機系統的絕緣要求為≥100Ω/V(GB/T25319-2010)。

    根國家標準對燃料電池發動機系統絕緣電阻值的安全要求,在設計時可以在絕緣電阻檢測系統中設置兩級報警(400V平臺為例):一級報警為絕緣電阻≤100k,二級報警為絕緣電阻≤50k?當發生一級報警時,上報故障;當發生二級報警時,強行切斷高壓電并上報故障?

    電氣間隙:兩個導電部分之間的最短直線距離(IEC60050-441:1984,441-17-31)

    爬電距離:兩個導電部分之間沿固體絕緣材料表面的最短距離(GB/T2900.83-2008,151-15-50)?


    絕緣電阻:絕緣物在規定條件下的直流電阻:加直流電壓于電介質,經過一定時間極化過程結束后?流過電介質的泄漏電流對應的電阻稱絕緣電阻,是電氣設備和電氣線路最基本的絕緣指標。


    9 、噪聲及排放



    噪聲是指發聲體做無規則振動時發出的聲音,影響他人的聲音都是噪聲?雖然燃料電池發動機產生的噪聲同傳統內燃機噪聲相比有了很大改善,但是燃料電池系統產生的噪聲也不容忽視?燃料電池發動機的主要噪聲來源于空氣子系統和氫氣子系統,此外還有其他固定部件振動產生的噪聲,


    (1)、振動與噪聲


    燃料電池系統中空氣子系統中的空壓機和氫氣子系統中的電控噴氫閥?氫氣循環泵是噪聲的主要來源?

    1)、空壓機的主要噪聲來源有:


    ①、空壓機壓縮空氣過程中產生的空氣動力噪聲?


    ②、高流速空氣進氣口以及排氣口的渦流噪聲?


    ③、空氣壓縮機的振動產生的噪聲?

    針對空氣子系統的噪聲來源,處理措施包括:優化主噪聲源的零部件的懸掛位置及結構(如空壓機);調整進氣系統和其他產生噪聲零部件的位置,優化空氣管路結構,減少氣體渦流的形成;在進排氣口加裝消聲器?在噪聲源外加隔聲材料等?

    2)、氫氣子系統的主要噪聲源為氫氣循環泵或者電控噴氫閥引起的噪聲?其中氫氣環泵的噪聲主要是由于泵和支架之間的振動引起的低頻噪聲,可以通過修改氫泵橡膠彈性支架剛度特性,控制氫泵振動向車身板件的傳遞,達到降低噪聲的目的?電控噴氫閥的主要噪聲為管道內高壓氫氣的流噪聲以及噴射器本體電磁閥開關閉合的聲音?這兩種聲音都是通過空氣路徑和結構路徑傳播的,因此可以在噴射前后加裝消聲裝置,將噴射裝置與燃料電池發動機通過橡膠懸掛連接等方式達到降低噪聲的效果?


    (2)、電磁噪聲


    電磁噪聲主要是由燃料電池系統中相關零部件上電機氣隙內的永磁磁場和電樞反應磁場相互作用,而產生徑向電磁力,由于徑向電磁力隨時間?空間發生變化,使電機殼體?定子鐵心等隨時間產生周期性變化的振動和噪聲?燃料電池系統中的電磁噪聲主要包括空壓機?冷卻水泵產生的低頻噪聲?處理措施:可以通過加強機械結構的低頻隔聲量降低電磁噪聲;采用共振吸收結構實現電磁噪聲的吸收?


    來源 | 電控知識搬運工


    文章轉自:《電車測試》

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