氢燃料电池结构原理成本及应用

1、燃料电池概况、结构、原理

2、燃料电池附件系统

3、燃料电池安全

4、燃料电池标准、法规

5、燃料电池技术发展规划及目标

2、燃料电池分类

碱性燃料电池（AFC）；

磷酸燃料电池（PAFC）；

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)；

固体氧化物燃料电池(SOFC)；

质子交换膜燃料电池（PEMFC）；

注：质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell)

膜电极的3代制造技术路线：

1、把催化层制备到扩散层上（GDE），通常采用丝 印刷方法，其技术已经基本成熟；

2、把催化层制备到膜上（CCM），与第 1种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性；

3、有序化的MEA，把催化剂如 Pt制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。

一、 安全性总则

1、燃料电池系统的燃料是氢气和氧气，因此周围严禁明火。

2、在非运行状态下，燃料电池电堆可能会有残留的电压，维修之前确认电压。

3、当系统运行时，请确保所有的接口、屏幕、电气外壳连接牢固。

4、请勿将燃料电池电堆放置或使用于潮湿的环境中。

5、在操作燃料电池电堆或系统时，请将摘下随身携带的珠宝、手表、戒指、金属物体以免引起短路。

二、 高温和高压的安全性

1、在室外环境下运行时，燃料电池电堆的温度可达 80°C 及以上，电堆运行期间或电堆停止运行不久的时间段，请勿触碰电堆。

2、燃料电池电堆及辅助系统使用高压气体时，可能会有冲击的危险，在打开各管路及管件之 前，需将整个回路进行降压。

3、燃料电池电堆是在高压力下进行装配的，请勿随意拆卸电堆。

三、高电压的安全

1、在运行电堆之前，先将电堆的电源电压正极和负极接到合适的负载上。

2、如果电气设备在某处没有完全绝缘，电堆可能会发生漏电的情况。漏电可能发生在电堆模块内部或者外部。尽可能减少漏电情况，确保电堆模块中所有的电气设备、电线是完全绝缘的，确保电气与电气设备是绝缘的。

3、根据所需的电压、电流、绝缘温度，来选择电堆高压线束。根据终端客户的特定应用及运行环境，满足额定电压、电流负载、额定的绝缘温度等条件。

4、在车辆绝缘故障情况下，绝不触碰导电部件，诸如：母线及接插件。

5、确保所有的电气接口、电气接插件能够合适地进行安装与连接，安装电接口、电气接插 件时不必较大力度，以免对电堆造成损伤。

6、避免以下不安全情况：

接地不正确；在电堆部件与硬件之间出现外来的物质或碎片，从而导致绝缘性能下降；用湿的手操作电线或电气设备，或接触湿的地面；使用磨损的电线；各电气接口连接不正确或多次重新连接；出现短路。

四、 氢气的安全性

1、 氢气是一种无色无味、高可燃性气体；

2、运行氢气时，需严格遵守规范及气体供应商的推荐建议；

3、氢气是无毒的，但会消耗空气中的氧气从而导致欠氧。未发生事故前，是不会出现 警现象；氢气分子比其他任何气体分子都要小，因此氢气分子很难溶解。氢气可扩散通过多种气密封材料。燃料管线、非焊接接口、非金属材料，如：垫片、O型圈、管螺纹、包装等可能会出现潜在的泄漏点或渗透点。而且，由于氢气分子尺寸小，会产生很大的浮力和扩散性， 因此泄漏的氢气会扩散，并且很快会在大气中稀释。电堆氢气的泄漏率会随着电堆的使用寿 命增加而逐渐加大。

检测氢气泄漏的责任及缓解氢气泄漏是取决于客户的。氢气泄漏源自于电堆，可通过氢气探测仪进行快速探测，在氢气/氧气混合物达到可燃浓度前，发出警告。

五、电堆烧蚀的安全性

在电堆运行时，可能会引起电堆内部烧蚀，下列情况可能会引起电堆烧蚀的发生：

运行电堆时，电堆严重欠氢（排气不足，电堆长期处于水淹状态下运行）；

超过电堆的最大运行温度运行电堆。

六、欠氧的安全性

当电堆运行时，会消耗氧气。当电堆在通风不良、占地空间小的情况下，就需要特别注意氧气的浓度不能低于标准的安全线（＞20.95%）。

燃料电池整车安全：基于氢气浓度、氢瓶压力实时监测，碰撞、充电及加氢状态监控，制定氢--电--结构耦合安全控制策略，当整车氢、电、结构监测状态超出判定条件时，实现断电断氢，提升整车安全性。

燃料电池氢系统安全

材料安全防护

1、高压氢瓶：铝内胆加碳纤维缠绕；

2、氢管路及阀体：不锈钢（316L）；

元器件防护

防爆型传感器，防爆固态继电器；

氢系统安全防护

排空管、安全阀、气瓶电磁阀、温度传感器、压力传感器等；

氢系统安全监控

对氢瓶系统、乘客舱、燃料电池发动机、尾气排放处的氢气泄露、系统压力、系统温度、电气元件及其他器件进行实时监控；

碰撞安全防护

对氢瓶系统、氢气管路、燃料电池发动机、各类阀门、接头等关键部件在发生碰撞时不能遭受破坏。

系统运输安全品在运输过程中，不应有剧烈振动、撞击和倒放。运输温度在-20℃ ~ 40℃范围内。产品应能适应海运、空运条件。产品在海运或空运时，应进行密封包装和其他防护措施，以免造成不必要的损坏。

系统储存安全

应提供安全可靠的储存场地或库房，以防止产品的损坏。产品应规定货物在库房的接收以 及发放的恰当方法。为了发现是否损坏，应经常查看存于库内的产品状态。产品放在通风干燥的环境内， 储存温度在 5℃ ~ 35℃范围内。

长时间存放安全

长时间存放即为超过 1 个月系统不开机。燃料电池系统长期存放存在可恢复性衰减，要求每月开机运行一次，每次至少运行 20 分钟以上。

关于开展燃料电池汽车示范应用的通知（财建〔2020〕394号）的解读

一、《通知》出台背景

2009年以来，中央财政一直采取对消费者给予购置补贴的方式，支持燃料电池汽车发展。截至2020年7月，我国累计推广燃料电池汽车超过7200辆，建成加氢站约80座，社会资本投入积极性明显提高。但是，我国燃料电池汽车产业仍面临核心技术和关键零部件缺失、企业创新能力不强、加氢设施建设难等突出问题。

二、《通知》的总体思路

总体思路是，支持燃料电池汽车关键核心技术突破和产业化应用，推动形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展格局。中央财政通过对新技术示范应用以及关键核心技术产业化应用给予奖励，加快带动相关基础材料、关键零部件和整车核心技术研发创新。争取用4年左右时间，逐步实现关键核心技术突破，构建完整的燃料电池汽车产业链，为燃料电池汽车规模化产业化发展奠定坚实基础。

三、《通知》的主要内容

第一，是支持方式。将采取“以奖代补”方式，对入围示范的城市群，按照其目标完成情况核定并拨付奖励资金，示范期暂定为四年。

第二，是示范内容。

①、构建燃料电池汽车产业链条，促进链条各环节技术研发和产业化。

②、开展燃料电池汽车新技术、新车型的示范应用，推动建立并完善相关技术指标体系和测试评价标准。

③、探索有效的商业运营模式，不断提高经济性。

④、完善政策制度环境。

第三，是示范城市群选择。采取地方自愿申 、专家评审方式确定示范城市群。鼓励申 城市群打破行政区域限制，强强联合，自愿组队，取长补短。已推广不低于100辆燃料电池汽车，已建成并投入运营至少2座加氢站且单站日加氢能力不低于500公斤。

第四，是组织实施。示范城市群应确定牵头城市，明确任务分工，强化沟通协调，统筹推进示范。五部门将依托第三方机构和专家委员会，全程跟踪指导示范工作，并实施节点控制和里程碑考核。

城市群示范目标

1、示范期间，电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸、空气压缩机、氢气循环系统等领域取得突破并实现产业化。车辆推广规模应超过1000辆。

2、燃料电池系统的额定功率不小于50kW，且与驱动电机的额定功率比值不低于50%。

3、燃料电池汽车所采用的燃料电池启动温度不高于-30℃。

4、.燃料电池乘用车所采用的燃料电池堆额定功率密度不低于3.0kW/L，系统额定功率密度不低于400W/kg；燃料电池商用车所采用的燃料电池堆额定功率密度不低于2.5kW/L，系统额定功率密度不低于300W/kg。

5、燃料电池汽车纯氢续驶里程不低于300公里。对最大设计总质量31吨（含）以上的货运车辆，以及矿山、机场等场内运输车辆，经认定后可放宽至不低于200公里。

6、燃料电池乘用车生产企业应提供不低于8年或12万公里(以先到者为准，下同)的质保，商用车生产企业应提供不低于5年或20万公里的质保。

7、平均单车累计用氢运行里程超过3万公里。

8、鼓励探索70MPa等燃料电池汽车示范运行。

9、加氢站氢气零售价格不高于35元/公斤。