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PEMFC系统技术指标概述

时间:2013-03-20 08:48:24来源:中国氢能源网
    燃料电池系统技术指标主要分为燃料电池系统的成本、耐久性、冷启动性能和效率。
1)系统成本
    影响PEMFC商业化的一个主要因素是成本。2006年美国Argonne实验室所介绍的燃料电池系统的成本比例如图所示。该燃料电池系统功率为80 kW,它的堆成本为67$/kW,系统成本为108$/kW。这是一个理想估计,只是单纯考虑材料成本,不包括制造过程中的损失、研发成本等。根据Argonne的成本计算方式,目前燃料电池堆的成本为67~70$/kW,系统成本为108~110$/kW。当前燃料电池堆的售价范围为722-1446$/kW,燃料电池系统的为1446-2892$/kW。需要指出的是,成本并不等于价格。从图中可见,燃料电池堆成本占燃料电池系统成本的62%,其中电极的成本约为堆成本的77%。电极的成本主要取决于Pt的用量。因此,减少Pt的担载量可以大大减少系统成本。
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燃料电池系统成本比例
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燃料电池系统成本分配比例
2)耐久性(运行寿命)
    系统耐久性概念是描述燃料电池系统开始投入运行后能正常工作多长时间 。燃料电池系统的测试条件和性能的影响因素(例如机械退化和各部件间相互影响等)非常复杂,所以系统耐久性很难定量描述。由于燃料电池系统中BOP的运行寿命目前已经超过5000小时,达到了汽车应用中的基本要求。因此,将堆的运行寿命用来间接描述PEMFC系统的耐久性是目前较为流行的一种权宜方法。另外,通过对如催化层、PEM、GDL和双极板的实验研究及性能诊断,可以做出一个用于研究燃料电池机械退化的时间函数。
 
3)冷启动
    冷启动要求车辆在冰点以下的环境中,停机后可以在一定时间内重新启动。特别在低温(-40℃)环境下,冷启动是FCV商业化的技术瓶颈之一。在低温环境下,堆内会产生阻止电化学反应的冰。 在冰点温度下,堆的启动问题已经有理论和实验的研究。在2007年日本东京FC Expo会议报告上指出,Honda和Toyota的燃料电池发动机能在-30℃启动,GM和Daimler燃料电池发动机可以在-25℃启动。而对汽车冷启动的目标要求是在-40℃也可以启动。通过以下技术措施,有可能进一步改善燃料电池发动机冷启动性能:
1)        增加阴极气体通道内的气体流速,因为这可以减少通道内水蒸气的积聚,从而减少阴极催化剂层结冰量;
2)        使用干燥度大的膜,它可以吸收更多水,减少冰的形成,从而改善冷启动过程;
3)        降低燃料电池的工作电流密度或者提高电池的电压,可以减少水的生成,从而改善冷启动过程。实际中为了实现在冰点下的快速启动,工作电流和电压必须达到最优值,才能在期望的启动时间内产生最多的余热;
4)        增加启动时电池的温度可以大大减少冰的形成,但却会延长冷启动过程。因此,在质子交换膜燃料电池冷启动过程中,可以使用各种不同的内、外部加热法来改善冷启动性能。
 
4)燃料电池系统效率
   燃料电池系统的效率定义:
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    其中Pnet、Pgross分别代表净输出功率和总功率,F、Ncell和LHVh2分别代表法拉第常量、单电池数量和氢气低热值。由定义可知,燃料电池系统效率主要受辅助系统消耗电流(Iaux)与总电流(Igross)的比值α、过量氢气系数λH2和平均单池电压Vcell的影响。降低α、减少过量氢气系数λH2提高平均单池电压Vcell有助于提高燃料电池系统效率。
 

 

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