在线氢燃料CAT蓄电池电池应急电源的可行性研究

摘要：氢能被人们认为是一种环保资源，但氢能的环保性在应急发电范畴还没有得到人们的深刻知道。比照于传统燃油发动机，氢燃料电池应急电源有以下一些明显长处，会决议它的用途更加广泛，但是，氢燃料电池也有它本身一些短板和应用应战。氢燃料电池持久寄存后，简单构成干膜或传质通道堵塞、催化剂中毒等问题，使得重新起动速度慢，活化时刻过长，无法做到实时快速呼应。

要害词：氢能 长处 呼应

当下广为选用的全氟磺酸质子交流膜（PFSA膜）是一种依据离子交流的固体聚合物电解质。全氟磺酸质子交流膜以全氟磺酸树脂为骨架，含磺酸根的全氟乙烯基醚为支链。这种结构赋予了膜出色的化学稳定性和热稳定性，因为碳氟C-F键键能高、不易开裂，一起氟原子经过分子链的旋转折叠等形式维护C-C键，提高了膜的稳定性。此外，氟原子的强电负性增强了磺酸根的酸性，使得膜能够高效地传导质子。在吸附阶段，全氟磺酸质子交流膜表面的离子交流基团（首要由磺酸根组成）开端工作。这些基团对水中的离子具有吸引力，能够将其吸附在膜表面上。由于磺酸根的电负性较强，它们能够有用地捕获并固定住水中的阳离子，如氢离子（质子）。这就要求在反响开端时，有必要有水才干够构成离子态，完结离子吸附。在解吸阶段，当膜层中的离子交流基团与水中离子对呈相反电荷时，会开释出被吸附的离子。这些离子在电场或浓度梯度的驱动下，穿过膜层，完结别离。全氟磺酸质子交流膜特别拿手传导质子，因为氟原子的强电负性增强了磺酸根的酸性，使得其更简单解离并开释质子（H+）。解吸这一传导过程也需求有水的存在才干完结。质子在膜内的传导首要经过两种机制：跃迁机制（Grotthuss mechanism）和运载机制（Vehicle mechanism）。在跃迁机制中，质子经过氢键的构成与开裂，在磺酸根（-SO3-）和水分子之间跳跃，完结质子的传递。而在车载机制中，质子与水分子结合构成水合质子（如H3O+），并在电场驱动下以水分子为载体，从阳极向阴极迁移。由上可见，水是完结全氟磺酸膜质子导通能力的必要条件。燃料电池长时刻放置不用的话，有可能会构成部分或全部干膜现象，尽管空气中少数的水蒸气也能够敞开反响，当部分反响开端，其他部分不反响发电时，相当于电池与导体并联，电流内讧，而无法对外放电。这种内讧还有可能焚毁CCM层的碳结构使铂粒聚会而发生永久损害。 因而，作为应急电源的氢燃料电池有必要处理长时刻寄存不用时的维护和保存问题。本文企图经过一些规划构思来探讨一下作为在线应急电源，氢燃料电池技能是否具有可行性。

一、快慢结合，多能互补

传统的应急备电选用蓄能电池加柴油发电机的模式较多，蓄能电池一般只能支撑十几分钟到半小时，之后假如供电无法恢复，要靠汽柴油发电机继续支撑。这种快慢结合的技能计划，完全也适用于氢燃料电池体系。为了弥补氢燃料电池呼应速度的不足，咱们能够选用多能互补的方法，辅佐以大放电率和快速呼应的超级电容作为辅佐混动电源，装备以磷酸铁锂根底的锂电池，作为一级备电。

 

图1：电源架构示意图

超级电容器能够在极短的时刻内完结充放电过程，通常可在几分钟甚至几秒钟内充满电，这比传统电池快得多。这种快速充放电的能力使得超级电容器在需求瞬时高功率输出的场合具有明显优势。超级电容器具有高功率密度，能够在短时刻内开释很多能量，满足设备对瞬时高功率的需求。在工业电力操控体系中，超级电容器能够作为瞬时大功率输出的电源，为主动化设备供给牢靠的动力保证。超级电容器的充放电循环次数可达数百万次以上，远高于传统电池，因而具有非常长的运用寿数。这意味着在长时刻运用过程中，超级电容器的功用更加稳定牢靠。

超级电容器的工作温度规模较宽，一般可在-40℃至+70℃之间正常工作，甚至在某些类型中可到达更宽的规模（如-40℃至+85℃）。这使得超级电容器能够在各种极端气候条件下稳定工作。超级电容器的工作稳定性高，不易遭到外界环境的搅扰和影响。相比锂离子电池等储能设备，超级电容器在过充、过放、短路或高温条件下的安全性更高，不易发生爆炸或起火等事故。

综上所述，超级电容器的充放电特性首要体现在快速充放电、高功率密度、长循环寿数、宽温度规模、绿色环保以及高牢靠性和稳定性等方面。它是一种抱负的与氢能配套的快速起动电源。在本架构中，超级电容一起还有一个功用是在主电路切断瞬间，为大的理性原件带来的冲击电压或浪涌供给一个快速吸收的设备。

磷酸铁锂（LiFePO₄）电池以其共同的橄榄石结构著称，这种结构在锂离子嵌入和脱嵌过程中保持稳定，有用降低了热失控的危险，从而确保了运用过程中的高安全性。磷酸铁锂电池具有较高的能量密度和输出功率，能够在需求时供给稳定的电力支撑。在电量挑选上，磷酸铁锂和超级电容的总容量(（QL+QC）与主电路的最大负载有关。在最大负载L

max时，他们的总容量Q应当能够承担起时刻t的耗费。t要大于燃料电池所需的最长活化时刻Tr。 即：

（QL+QC）/Lmax >Tr这样才干给氢燃料电池充分的时刻用于活化起动。另外，结合氢燃料电池的维护需求，磷酸铁锂电池能够作为燃料电池活化维护时的放电池，接受燃料电池所发出的电量。在周期性自放电下，到燃料电池的下一个活化周期，电池能够腾出更多容量用于上述目的。所以，实践的超级电容和磷酸铁锂电量能够装备略微大一点，以超过1.5倍的燃料电池功率值为宜，例如，100kw的燃料电池，能够装备150kwh的超级电容和锂电池。

二、改善寄存和维护，改善重起功用

针对长时刻寄存，咱们规划了多个实验，其中能够有用帮忙燃料电池寄存的是一个密封和充氮的计划。 这个计划下咱们规划了燃料电池自检的程序，在每次运用结束后，燃料电池体系把维护模块中的气密滑板密封，堆内充氮、增湿。在经过高温低湿法等效寄存60天的间隔上，电堆再次开起只需3秒钟立刻到达额定功率。

本体系选用了以下技能计划和部件：

1. 带有体系时钟芯片、数据存储的燃料电池操控办理体系。数据存储体系记录下历次运营的时刻、电压、电流、温度等等信息。 时钟芯片定期唤醒燃料电池进行自我检查和维护。在自我检查过程中，体系会起动主动活化功用，并比对此前运转记录，结合本次燃料电池的温度、电压、电流、环境温度等表现，依据算法确定下一次运转时刻和战略。
2. 带有不小于本身功率数值1.5倍电量的蓄能电池体系。该体系除了用于给燃料电池供电，还用于在燃料电池活化期间吸收燃料电池的发电量。剩余的无法吸收的电量由一个电子负载来耗费。
3. 燃料电池体系带有一个能够滑动来密封的前后盖板组织，在长时刻寄存时，盖板处于密封状态，整个燃料电池电堆与外界隔离，用以保存前次活化留在膜电极上的水份，为电堆发明一个湿度环境。
4. 体系装备有一个氮气储存设备。氮气瓶装备有压片式压力变送器和电磁阀。燃料电池操控办理体系采集气瓶的压力信号，在缺少氮气时会报警，并经过办理体系的长途传输模块发送到远端操控中心或移动设备。氮气瓶电磁阀与燃料电池的密闭舱经过管路相连接，受控于燃料电池办理器。每次体系唤醒活化后，舱盖先滑动到密闭位置，然后氮气电磁阀敞开，开端向密闭舱注入氮气，以置换原有空气，减少膜电极中材料被氧化或污染的危险。
5. 操控办理体系里有比对燃料电池功用的算法，经过与该温湿度下燃料电池功用的参阅曲线相比照，判断燃料电池是否健康，假如尚未到达健康状况，活化时刻主动延长。假如燃料电池无法活化回到抱负功用，则能够经过无线传输向远端操控中心报警要求更换。
6. 操控办理体系一起与氢瓶的压力传感器相连，经过读取氢瓶的压力影响活化战略和活化时刻的长短。在氢气压力过低的情况下，操控办理体系能够经过无线传输向远端操控中心或移动设备报警。

附图：体系架构示意图

 

图2：高温低湿加快寄存实验成果

三、改善膜电极水办理能力

在快速活化方面，咱们对电堆的CCM层施工工艺进行了改善，在催化剂浆料装备过程中添加了亲水性的导电材料。一起经过浆料配方中分子极性的配对，操控浆料在成型固化阶段构成有序孔道，完结多层微孔叠层工艺，完结有序喷涂。传统的CCM涂覆技能大多选用简单的狭缝刮涂和超声喷涂。涂覆成型后三相界面生成率不到30%，不但浪费了铂催化剂的表面积，也不利于在CCM层进行水和氢氧传输的办理，构成膜电极电流密度不高，CCM在高温和低湿下极易发生干膜，功率骤降或膜电极永久损坏。

咱们从CCM上电化学反响机理下手，对膜电极选用3D层叠规划，在不同的位置构建不同功用的微通道，包含接近PEM基底层的毛细水流道、外层的氧通道。经过这些微孔构成的微流道，一方面能够操控CCM底层的最大失水率，使得风冷电堆在长时刻寄存时不易干膜；另一方面起动时能将生成的水快速扩散到整张膜完结快速活化，处理风冷堆最难的快速活化起动和长时刻寄存功用衰减问题。如何能够在工业量产环境下快速较近似地构造出规划中的3D微流道是完结微孔堆叠技能的要害。经过很多理论剖析和实验摸索，咱们经过浆料配方规划、静电超声喷涂、微波驻波辅佐凝集、电场辅佐胶体有序凝集等多种归纳操控手法，能够操控胶体在凝集过程中发明出近似平行微流道结构、交叠微流道结构、等径网眼结构、异径网眼结构等各种共同的有序凝集态结构，再经过多层不同结构通道堆叠就能够发明出共同的3D结构使得水办理和铂利用率都到达最优。

图4：催化层微观结构示意图，微孔为水流道，大孔为氧气流道

实验证明，有序喷涂的带有精细水办理流道的膜电极能够极大的改善膜电极的长时刻寄存功用和快速起动表现。 在咱们经过本工艺与原有工艺进行比对的对照组实验里，新工艺下的电堆在寄存实验后均匀3秒钟都到达了额定功率，而原有工艺的对照组下，大多要1分钟到10分钟不等。

四、总结

经过上述研究和剖析，咱们看到燃料电池的功用是能够经过微孔层叠等制造工艺手法改动的，包含长时刻寄存后的活化功用的提升。加上对电源结构规划的改善，添加氮维护和密封保水办法，整个体系在3秒钟起动的速率下，其实已能够和燃油发动机比美。加上快慢结合的电源架构规划，在线氢燃料电池应急电源能够做到和燃油发电机相同的安全牢靠。