车用燃料电池电堆及系统集成

《节能与新能源汽车关键技术研究丛书》聚焦国家节能减排和发展战略性新兴产业的需求，瞄准国际前沿科技，服务汽车产业转型升级和国家经济建设。丛书由清华大学欧阳明高院士担任主编；作者由包含国家杰青、*在内的国内外一流学者亲自领衔执笔，他们是国内外新能源汽车研究领域*高水平的代表，具有较高的权威性。著作内容为作者承担国家重点研究项目成果的结晶，原创性强、学术水平高、体现自主知识产权。具有较高的学术价值、出版价值和产业应用价值。

   本书共设有7章，主要介绍了氢燃料电池在交通领域应用的意义及其重要性、氢能与燃料电池技术的基础知识，并在此基础上重点介绍了车用燃料电池电堆、车用燃料电池系统集成的相关基础知识，包括电堆及发动机系统的结构、组成、工作原理、开发技术路线等，同时还介绍了国内外的相关研究进展。本书还着重介绍了车用燃料电池技术目前存在的问题及挑战，以及围绕这些问题的最新研究进展，包括车用燃料电池系统耐久性产生的原因及提升车用燃料电池系统耐久性的相关研究，燃料电池反极现象、抗反极研究的最新研究成果、燃料电池低温启动的相关挑战，以及燃料电池冷启动的策略研究等。本书从基础知识、基本原理到存在的问题及挑战，清晰地展示了车用燃料电池系统技术的全貌，为读者充分了解车用燃料电池技术提供重要途径。鉴于车用燃料电池技术尚处于发展之中，本书还对下一代车用燃料电池技术进行了介绍和展望。本书可供相关专业本科生、研究生、教师，以及相关行业研究开发人员、工程技术人员、管理人员参考。

廖世军，华南理工大学教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，享受国务院政府特殊津贴专家，10余国际SCI刊物的编委。主要从事电催化与燃料电池研究，主持完成包括国家重点研发计划项目、863项目、国家基金重点项目在内的各类科技50余项，发表研究论文400多篇，连续10年被Elsevier评选为“中国高引用学者”，申请专利90余件，或授权50余件，包括2件美国发明专利。获省部级科技奖励5项；多项燃料电池技术相关成果成功应用于生产实际。

   第1章绪论1

1.1氢能源与交通1

1.1.1发展氢能源的必要性1

1.1.2氢能源特点2

1.1.3氢燃料电池与交通3

1.2质子交换膜燃料电池6

1.3车用燃料电池系统的特点及要求9

1.3.1燃料电池系统组成和功能9

1.3.2FCEV典型系统集成方案9

1.3.3技术要求10

1.4车用燃料电池发展前景及存在的挑战11

本章参考文献15

第2章质子交换膜燃料电池电堆19

2.1电堆的基本结构及部件19

2.1.1单电池的基本结构19

2.1.2电堆的基本结构19

2.1.3电堆的主要部件20

2.1.4电堆冷却技术28

2.2电堆工作原理30

2.2.1基本工作原理30

2.2.2开路电压31

2.2.3极化现象32

2.2.4燃料电池能量转换效率35

2.2.5电堆常见故障35

2.3膜电极制备技术及相关研究39

2.4双极板的研究及开发51

2.4.1双极板的结构和功能51

2.4.2双极板的材料与制造53

2.5密封技术研究61

2.5.1密封材料的研究现状61

2.5.2密封结构的研究现状64

2.5.3密封结构的失效65

2.6电堆集成技术68

2.6.1电堆集成工艺流程69

2.6.2影响电堆集成性能的重要因素72

2.7电堆技术进展及产业化现状76

本章参考文献79

第3章质子交换膜燃料电池系统94

3.1系统的组成及结构94

3.2空气供给子系统95

3.2.1空气供给子系统硬件结构95

3.2.2空气压缩机匹配105

3.2.3中冷器计算及选型110

3.2.4背压阀匹配111

3.2.5空气供给子系统建模和仿真研究进展112

3.2.6空气供给子系统模型建模参数114

3.2.7空气供给子系统仿真分析与控制116

3.3氢气供给子系统120

3.3.1氢气供给子系统类型120

3.3.2氢气供给子系统结构123

3.3.3车载氢气供给子系统部件基本参数128

3.3.4电堆匹配计算与选型128

3.3.5氢气循环泵匹配计算与选型129

3.3.6氢气供给管道模型参数131

3.3.7氢气循环泵模型参数132

3.3.8燃料电池氢气供给子系统 Simulink 模型搭建及验证134

3.4冷却子系统136

3.4.1燃料电池系统热平衡136

3.4.2空气冷却139

3.4.3被动冷却142

3.4.4液体冷却146

3.4.5冷却子系统的意义以及未来展望149

3.5控制及管理子系统150

3.5.1冷却子系统控制151

3.5.2水管理子系统控制152

3.5.3空气供给子系统控制154

3.5.4管理氢气供给子系统的运行156

3.6燃料电池系统的运行及维护158

3.6.1空气供给子系统运行及维护158

3.6.2氢气供给子系统运行及维护160

3.6.3冷却子系统运行及维护162

3.7燃料电池系统的常见故障及故障处理方法163

本章参考文献166

第4章燃料电池发动机的控制原理及智能管理177

4.1燃料电池发动机系统及其控制177

4.2燃料电池发动机空气供给子系统的控制178

4.2.1空气供给子系统的控制要求178

4.2.2空气供给子系统的控制实现方法179

4.2.3空气供给子系统控制的国内外相关研究183

4.3燃料电池发动机电堆系统的控制189

4.4燃料电池发动机氢气供给子系统的控制192

4.4.1氢气供给子系统的控制要求及控制实现方式192

4.4.2氢气供给子系统控制的研究进展195

4.5燃料电池发动机热管理子系统的控制196

4.5.1热管理子系统的控制要求及控制实现方式196

4.5.2热管理子系统控制的研究进展198

4.6燃料电池发动机控制器硬件199

4.6.1控制器整体系统199

4.6.2控制器硬件设计200

4.7燃料电池发动机控制器软件207

4.7.1控制器软件总体框架207

4.7.2系统控制方式210

4.7.3系统诊断与智能管控216

4.8燃料电池控制器辅助系统与工具218

4.8.1人机界面与数据管理218

4.8.2系统调试与标定221

本章参考文献222

第5章车用燃料电池电堆及系统耐久性228

5.1影响车用燃料电池系统耐久性的因素分析229

5.1.1电堆结构组成对燃料电池系统耐久性的影响229

5.1.2系统组件对车用燃料电池系统耐久性的影响238

5.1.3动态运行工况对车用燃料电池系统耐久性的影响240

5.2提升车用燃料电池电堆及系统耐久性的策略及相关研究247

5.2.1电堆耐久性的提升策略247

5.2.2车用燃料电池电堆系统组件的改进策略259

5.2.3动态运行工况下的改进策略262

5.3挑战与展望266

本章参考文献268

第6章车用质子交换膜燃料电池的冷启动272

6.1冷启动困难和失败的原因及冷启动的原理273

6.1.1冷启动困难和失败原因分析273

6.1.2冷启动机制274

6.1.3冷启动过程中电池内部的传输过程276

6.2车用燃料电池冷启动策略283

6.2.1适用于燃料电池冷启动的关机策略283

6.2.2启动加热策略288

6.2.3组件改进293

6.2.4小结296

6.3挑战与展望297

本章参考文献298

第7章挑战及展望309

7.1车用燃料电池系统的挑战310

7.1.1车用燃料电池系统的耐久性310

7.1.2车用燃料电池系统的成本312

7.1.3铂使用量及铂资源挑战313

7.1.4车用燃料电池系统的能量转换效率313

7.1.5车用燃料电池系统的冷启动314

7.2下一代车用燃料电池技术展望315

7.2.1下一代燃料电池催化剂研究316

7.2.2下一代气体扩散层318

7.2.3下一代质子交换膜318

7.2.4下一代双极板318

7.2.5下一代空气压缩机及辅助件319

本章参考文献321

第1章绪论1

1.1氢能源与交通1

1.1.1发展氢能源的必要性1

1.1.2氢能源特点2

1.1.3氢燃料电池与交通3

1.2质子交换膜燃料电池6

1.3车用燃料电池系统的特点及要求9

1.3.1燃料电池系统组成和功能9

1.3.2FCEV典型系统集成方案9

1.3.3技术要求10

1.4车用燃料电池发展前景及存在的挑战11

本章参考文献15

第2章质子交换膜燃料电池电堆19

2.1电堆的基本结构及部件19

2.1.1单电池的基本结构19

2.1.2电堆的基本结构19

2.1.3电堆的主要部件20

2.1.4电堆冷却技术28

2.2电堆工作原理30

2.2.1基本工作原理30

2.2.2开路电压31

2.2.3极化现象32

2.2.4燃料电池能量转换效率35

2.2.5电堆常见故障35

2.3膜电极制备技术及相关研究39

2.4双极板的研究及开发51

2.4.1双极板的结构和功能51

2.4.2双极板的材料与制造53

2.5密封技术研究61

2.5.1密封材料的研究现状61

2.5.2密封结构的研究现状64

2.5.3密封结构的失效65

2.6电堆集成技术68

2.6.1电堆集成工艺流程69

2.6.2影响电堆集成性能的重要因素72

2.7电堆技术进展及产业化现状76

本章参考文献79

第3章质子交换膜燃料电池系统94

3.1系统的组成及结构94

3.2空气供给子系统95

3.2.1空气供给子系统硬件结构95

3.2.2空气压缩机匹配105

3.2.3中冷器计算及选型110

3.2.4背压阀匹配111

3.2.5空气供给子系统建模和仿真研究进展112

3.2.6空气供给子系统模型建模参数114

3.2.7空气供给子系统仿真分析与控制116

3.3氢气供给子系统120

3.3.1氢气供给子系统类型120

3.3.2氢气供给子系统结构123

3.3.3车载氢气供给子系统部件基本参数128

3.3.4电堆匹配计算与选型128

3.3.5氢气循环泵匹配计算与选型129

3.3.6氢气供给管道模型参数131

3.3.7氢气循环泵模型参数132

3.3.8燃料电池氢气供给子系统 Simulink 模型搭建及验证134

3.4冷却子系统136

3.4.1燃料电池系统热平衡136

3.4.2空气冷却139

3.4.3被动冷却142

3.4.4液体冷却146

3.4.5冷却子系统的意义以及未来展望149

3.5控制及管理子系统150

3.5.1冷却子系统控制151

3.5.2水管理子系统控制152

3.5.3空气供给子系统控制154

3.5.4管理氢气供给子系统的运行156

3.6燃料电池系统的运行及维护158

3.6.1空气供给子系统运行及维护158

3.6.2氢气供给子系统运行及维护160

3.6.3冷却子系统运行及维护162

3.7燃料电池系统的常见故障及故障处理方法163

本章参考文献166

第4章燃料电池发动机的控制原理及智能管理177

4.1燃料电池发动机系统及其控制177

4.2燃料电池发动机空气供给子系统的控制178

4.2.1空气供给子系统的控制要求178

4.2.2空气供给子系统的控制实现方法179

4.2.3空气供给子系统控制的国内外相关研究183

4.3燃料电池发动机电堆系统的控制189

4.4燃料电池发动机氢气供给子系统的控制192

4.4.1氢气供给子系统的控制要求及控制实现方式192

4.4.2氢气供给子系统控制的研究进展195

4.5燃料电池发动机热管理子系统的控制196

4.5.1热管理子系统的控制要求及控制实现方式196

4.5.2热管理子系统控制的研究进展198

4.6燃料电池发动机控制器硬件199

4.6.1控制器整体系统199

4.6.2控制器硬件设计200

4.7燃料电池发动机控制器软件207

4.7.1控制器软件总体框架207

4.7.2系统控制方式210

4.7.3系统诊断与智能管控216

4.8燃料电池控制器辅助系统与工具218

4.8.1人机界面与数据管理218

4.8.2系统调试与标定221

本章参考文献222

第5章车用燃料电池电堆及系统耐久性228

5.1影响车用燃料电池系统耐久性的因素分析229

5.1.1电堆结构组成对燃料电池系统耐久性的影响229

5.1.2系统组件对车用燃料电池系统耐久性的影响238

5.1.3动态运行工况对车用燃料电池系统耐久性的影响240

5.2提升车用燃料电池电堆及系统耐久性的策略及相关研究247

5.2.1电堆耐久性的提升策略247

5.2.2车用燃料电池电堆系统组件的改进策略259

5.2.3动态运行工况下的改进策略262

5.3挑战与展望266

本章参考文献268

第6章车用质子交换膜燃料电池的冷启动272

6.1冷启动困难和失败的原因及冷启动的原理273

6.1.1冷启动困难和失败原因分析273

6.1.2冷启动机制274

6.1.3冷启动过程中电池内部的传输过程276

6.2车用燃料电池冷启动策略283

6.2.1适用于燃料电池冷启动的关机策略283

6.2.2启动加热策略288

6.2.3组件改进293

6.2.4小结296

6.3挑战与展望297

本章参考文献298

第7章挑战及展望309

7.1车用燃料电池系统的挑战310

7.1.1车用燃料电池系统的耐久性310

7.1.2车用燃料电池系统的成本312

7.1.3铂使用量及铂资源挑战313

7.1.4车用燃料电池系统的能量转换效率313

7.1.5车用燃料电池系统的冷启动314

7.2下一代车用燃料电池技术展望315

7.2.1下一代燃料电池催化剂研究316

7.2.2下一代气体扩散层318

7.2.3下一代质子交换膜318

7.2.4下一代双极板318

7.2.5下一代空气压缩机及辅助件319

本章参考文献321