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第二章 燃料电池系统集成
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HD6 ballard Intellagent energy
新源动力
Flow Cath
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GM FC BMW，5 GT
US fuelcell
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丰田
汽车企业所集成的燃料电池发动机，更像“发动机”
集成程度更高； 线束规范；车用方式； 整体模具设计成型思路； 多功能，模块化； 原车用零部件直接用于BOP，或改进后用于BOP
电动汽车
电池
电能
电机
机械能
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燃料电池汽 车
燃料电池发动机 动力电池
电能
电机
机械能
燃料电池汽车：认为是电动汽车的一种。 纯电动汽车：由可充电电池作为动力源。可以是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或 锂离子电池。
纯电动汽车
蓄电池
电能
电机
机械能
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增程式电动车
增程式的含义：有一个增程器，作为辅助动力装置使用（APU： Auxiliary Power Unit）
强度高 材料： Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜；
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催化层CL (Catalyst layer)
作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层； 要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大； 材料：Pt/C,Pt-Ru/C 载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须 最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术; 催化剂最先进的是“壳核”结构
Fuel cell stack orientation
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Gas and fluid compatibility
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Operation Conditions
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Fuel cell stack performance
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Fuel cell stack operating limits
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一、燃料电池专业知识
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第一章 燃料电池原理和构成
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什么是燃料电池
定义： 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接
转化为电能的发电装置。
燃料
氧化剂
电能
其他？
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Hydrogen
Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power
Water
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PEMFC 原理
隔离型
升压型 降压型
单向 双向
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电机
电机：无刷直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。
目前电动汽车上逐渐以永磁同步直流电机为主： 体积小，功率密度大 效率高 功率因素高 启动力矩大 温升低
直流电
电机控制器
电机 机械能
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动力电池
从正极材料来看有：锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等。 作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
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气体扩散层GDL (gas diffusion layer)
作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水 要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
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流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate 作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金
增程器 动力电池
电能
电机
机械能
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150~200公里
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整车 控制系 统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制 器
驱动 件
驱动桥
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DCDC
DC：直流电，direct current AC：交流电，Alternating current DCDC：直流到直流变换器，主要是将某个直流电压转化至另一个直流电压。 解决两个设备电压不匹配的问题。
空冷使全系统设计简化； 往往供氧和冷却一步完成； 相对功耗更低； 一般应用于无人机，充电器等
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系统流程
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第三章 车用燃料电池系统介绍
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传统汽车
内燃机
机械能 机械传动 机械能
内燃机车：以内燃机（汽油机或柴油机）作为动力源。 电动汽车：以电能作为动力源，用电机驱动车轮。 混合动力汽车：一般指油电混合动力汽车，采用内燃机和电机作为动力源。
Layer
plate
Anode Reaction
Cathode Reaction
2H2 4H+ + 4e- O2 + 4H+ + 4e- 2H62O
稳定1
激态A 激态B
Energy
稳定2
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构成
NREL
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质子交换膜PEM(proton exchange membrane)
作用：电解质，传导质子，隔离反应气体 要求：稳定不讲解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小，
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储氢系统
氢瓶：金属内胆，碳纤维缠绕，3型气瓶。 国内压力：国标允许35MPa。
国际：塑料内胆，碳纤维缠绕，4型气瓶。 国际压力：一般都在70MPa。
氢瓶 35/70MPa
减压器
0.5-2MPa左 右
氢气传输管路
燃料电池发 动机
减压器
进入电堆内部
（kPa级）
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第四章 巴拉德9ssl电堆
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PEM fuel cell H2
Carbon black
Load Anode
e- Platinum
Catalyst
Air
Bipolar Gas Diffusion
plate
Layer
H+
Cathode
Membrane Electrode Assembly
NIST
Gas Diffusion Bipolar
电堆与BOP之间的契合度更高；
电堆水热管理与BOP元件交互更多； 以电堆为核心的BOP元件定制化强化。
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水冷与空冷
水冷系统往往为大功率（>5KW）的电堆而准备； 所携带的热能更大，可以使电堆设计更紧凑； 温度在双极板的面分布上更一致； 相对于外界独立； 一般应用于大功率发动机，电站等