氢能系统
时间：2024-07-18 作者：超级管理员
应用场景：
分两大部分介绍：
A)材料方面：
a）高温燃料电池膜电极
l 关键难点：催化剂易被CO毒化，膜电极制备工艺复杂，测试工装缺失。
l 主要进展：提出高温燃料电池膜电极，通过提高燃料电池工作温度，提高膜电极对CO的耐受性；提出多种分散方式混用方法制备催化剂浆料，提高催化剂浆液的均匀性，提高膜电极的一致性。开发低温PEMFC单电池功率密度为4.1 W·cm-2（氢氧）和2.3 W·cm-2（氢空）；高温PEMFC单电池功率密度为1.1 W·cm-2（氢氧）和0.73W·cm-2（氢空）。
b）低温PEMFC燃料电池电堆
l 关键难点：膜电极边框制备工艺复杂，电堆密封材料及密封方式设计难度大，电堆装配工艺复杂，系统涉及多学科设计难度大。
l 主要进展：提出膜电极四层边框设计方法，通过匹配不同材质及厚度的密封材料实现电堆在多物理场下的密封性；通过自主开发电堆装配台及电堆装配工艺，实现了多功率电堆装配；针对燃料电池复杂多变的工况，通过多学科穿插协调设计，实现了燃料电池系统原理、结构设计及系统搭建。
c）高温燃料电池电堆
l 关键难点：高温电堆密封材料耐温耐酸要求高，电堆密封设计复杂，测试装置缺失。
l 主要进展：提出环氧和多酚材质的密封材料并结合梯形密封圈的设计，实现了高温电堆密封；提出冷却液外循序的方式加热高温电堆，并通过自主设计的高温电堆测试装置，实现不同温度、不同压力和不同计量比下的电堆测试。
B）燃料电池系统集成方面：
a）燃料电池系统- 30kw低温电堆燃料电池系统
l 关键难点：燃料电池系统控制复杂，包括氢气供气系统、空气供气系统、水热管理系统，以及电源系统等。
l 主要进展：项目开发了30kw低温电堆燃料电池系统，研究并选配了系统各部件及控制系统，设计了系统电气原理图、上位机监控界面、以及系统的开关机、故障报警、阴阳极气体控制和温度控制等运行策略。
b）燃料电池系统- 2kw高温电堆燃料电池系统
l 关键难点：高温电堆燃料电池系统的工作温度在180°左右，高温条件下系统部件适配和控制是一大难点。
l 主要进展：项目开发了2kw高温电堆燃料电池系统，研究并选配了系统各部件及控制系统，设计了系统电气原理图、上位机监控界面等；完成了燃料电池系统控制器FCU设计，并基于HIL仿真平台对控制策略进行了验证。
c）燃料电池系统-2kW甲醇重整燃料电池系统
l 关键难点：甲醇重整制氢系统涉及燃烧学、热力学、空气动力学、化学，以及机械和电气等多学科交叉设计，结构复杂、控制耦合性强，功率协调难度大。
l 主要进展：提出满足不同产气量通用的加热方式、多腔体联动传热，实现甲醇稳定制氢的结构设计；针对重整器，提出协调联用的高温燃料电池系统，通过多学科穿插协调设计，实现了燃料电池系统的原理、结构设计及系统搭建。目前已成功制备氢气，实现将甲醇重整制氢装置和燃料电池系统进行联调。
C）电力电子技术方面
a）燃料电池DC/DC变换器
l 关键难点：基于交错并联boost拓扑的燃料电池变换器，运行在低功率段无法同时兼顾电源高效率和低纹波。
l 主要进展：提出了一种含纹波补偿支路的交错并联燃料电池DC/DC电源拓扑结构，并基于该拓扑提出了根据不同运行功率的相数切换和纹波补偿控制方法，降低了电源电流纹波的同时，提高了低功率范围的效率。
b）燃料电池测试系统
l 关键难点：燃料电池工况复杂，测试环境和测试精度要求高，控制耦合性强，自动化程度协调难度大。
l 主要进展：通过自研加湿系统，实现高效增湿，提高测试结果可靠性；提出模块化设计理念，设备硬件结构灵活，实现功率范围内单电池及多片电池测试；通过高度自定义的软件功能，自动运行程序编辑，设备运行程序设定等，实现测试过程的自动化和智能化。
c）多通道膜电极检测仪
l 关键难点：目前还未有在线多通道膜电极检测设备，需要提高质量检测可靠性、精度和速度。
l 主要进展：开发一款定制化燃料电池质子交换膜一致性快速检测装置，具有扩展性强、性价比高的特点，可以大大提高检测效率。
d）氢品质检测仪
l 关键难点：目前还未有针对氢气品质现场快速检测装置，需要解决设备成本、快速检测精度和可靠性问题。
l 主要进展：开发氢品质快速检测装置，以及氢品质检测关键部件，通过对氢品质检测部件结构的不断优化升级，在含5ppmCO的氢气测试条件下，将检测时间从90min缩减至7.7min。
e）氢燃料电池FCU控制器
l 主要进展：完成燃料电池快速原型控制器FCU设计与样机制作；设计了氢燃料电池发电系统的开机、关机、故障报警，以及阴阳极气体控制和温度控制等运行控制策略；基于半实物HIL仿真平台和燃料电池控制器FCU，进行了燃料电池系统的控制策略测试验证。
f）燃料电池硬件在环HIL实时仿真平台
l 关键难点：燃料电池系统具有高阶、非线性、强耦合特性，系统建模难度大。
l 主要进展：项目开发了燃料电池系统硬件在环HIL实时仿真平台，包含上位机测控软件（用于系统建模、数据采集、系统监控等）和实时仿真机，能够实现工况模拟、系统辩识、控制策略开发等；开发的燃料电池系统模型包含电堆、空压机、进气管道、中冷器、阀门、加湿器、电磁阀、散热器等。
