燃料电池系统工厂设计规范
燃料电池系统工厂设计规范
1范围
本文件规定了燃料电池系统工厂设计的基本规定、总体规划、系统工艺、测试区、数字化工厂设计、车间供氢站、建筑结构、气体管路、暖通、给水排水、电气和消防与安全规范。
本规范适用于氢燃料质子交换膜燃料电池系统工厂的新建、改建、扩建工程设计，也适用于燃料电池系统研发、生产、测试的场所。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T24548燃料电池电动汽车术语
GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气
GB3836.14爆炸性环境第14部分：场所分类爆炸性气体环境
GB3095环境空气质量标准
GB50016建筑设计防火规范（2018年版）
GB50177氢气站设计规范
GB/T31139移动式加氢设施技术规范
GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管
GB/T12771流体输送用不锈钢焊接钢管
GB50028城镇燃气设计规范
GB50516加氢站技术规范
GB50029压缩空气站设计规范
GB50316工业金属管道设计规范
GB4962氢气使用安全技术规程
GB7231工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识
GB50019工业建筑供暖通风与空气调节设计规范
GB50058爆炸危险环境电力装置设计规范
GB50116火灾自动报警系统设计规范
GB50222建筑内部装修设计防火规范
GB51245工业建筑节能设计统一标准
GB50011建筑抗震设计规范
GB51022门式刚架轻型房屋钢结构技术规范
GB/T50476混凝土结构耐久性设计规范
GB50223建筑工程抗震设防分类标准
GB50010混凝土结构设计规范
GB50017钢结构设计标准
GB50153工程结构可靠性设计统一标准
GB50009建筑结构荷载规范
GB50974消防给水及消火栓系统技术规范
GB50193二氧化碳气体灭火系统设计规范
GB50370气体灭火系统设计规范
GB50140建筑灭火器配置设计规范
GB51309消防应急照明和疏散指示系统技术标准
GB25972气体灭火系统及部件
GB50981建筑机电工程抗震设计规范
GB50013室外给水设计标准
GB50014室外排水设计规范
GB50015建筑给排水设计标准
GB50054低压配电设计规范
GB50034建筑照明设计标准
氢燃料电池汽车安全指南（2019版）
3.术语
3.1
燃料电池系统fuel cell system
指氢燃料电池发动机，主要部件包括电堆、发动机控制系统、氢气供给系统、水热管理系统、空气供给系统等，在外接氢源及物料（空气、水）的条件下可以正常工作。
3.2
氢燃料fuel hydrogen
满足燃料电池系统正常工作的气态氢气燃料，品质符合现行《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》GB/T37244。
3.3
车间供氢站hydrogen filling station attached to a workshop
不含氢气发生设备，以瓶装或管道供应，满足工厂生产工艺、测试、研发需求的供氢设施或场所的统称。
3.4
氢气长管拖车tube trailers for gaseous hydrogen
由若干个高压氢气压力容器或气瓶组装后设置在汽车拖车上，用于运输高压氢气的装置，配带相应的连接管道、阀门、安全装置等。
3.5
撬装式加氢装置portable hydrogen fueling facilities
在一个或多个可移动的底座上设置的储氢、增压、加注装置及连接管线和安全设施的总称，其本身不具备移动功能。
3.6
敞开式建筑区域open building area
在建筑物侧壁顶部、屋顶高处建有永久性开口的通风良好场所，其尺寸和位置保证建筑物内部通风效果等效于露天场所。
3.7
非敞开式建筑区域non-open building area
建筑物内建有永久性开口，或在建筑物侧壁顶部、屋顶高处建有机械通风开口，具有消除区域内氢气聚集条件的场所。
3.8
实瓶full cylinder
充有氢气的无缝钢制气瓶，其水容积一般为40L、50L，工作压力为12.0～20.0MPa。
4基本规定
4.1燃料电池系统工厂设计应合理利用土地，满足国家、地方建设用地指标规定要求。
4.2燃料电池系统工厂建设应充分考虑安全、产能、工艺水平、自动化程度等因素，满足下列要求：
1)应根据工艺特点，采用新技术、新工艺；
2)应采取可靠措施，满足安全、消防、环保、节能要求；
3)应提高自动化水平；
4)应进行符合产品要求的生产环境设计。
4.3燃料电池系统工厂按产能分类见表1：
表1燃料电池系统工厂产能分类
序号名称小型中型大型
1产能（台套/年）＜1000＞1000
≤10000＞10000
2生产方式非连续非连续/连续连续
3自动化程度手动半自动半自动/自动化
4检测活化离线离线/在线离线/在线
4.4燃料电池系统工厂应重视物流设计，采用先进合理的物流方案，提高自动化水平。
4.5按照本规范10.2.2条定义为甲类的燃料电池系统检测活化涉氢工段应独立或隔断布置在敞开式建筑区域，布置在非敞开式建筑区域时应辅助防爆机械通风设备和相应消防措施。
5总体规划
5.1一般规定
5.1.1燃料电池系统工厂的总体布置应根据工厂的安全、规模、生产流程、交通运输、消防、环保、节能等要求，结合场地自然条件、用地周边环境确定。
5.1.2总体布置应符合下列要求：
1)应满足城市规划的要求；
2)对分期建设项目应统一规划，且留有发展余地并分期征地；
3)应合理组织物流和人流，其中：物流应便捷，人车应分流；
4)应综合考虑土地资源利用、工程投资、环保节能等技术经济条件，布置紧凑，节约用地；
5)应使建筑物群体的平面布置与空间景观相协调。
5.2总平面布置
5.2.1燃料电池系统工厂的总平面布置应符合下列要求：
1)应位于大气环境良好、无污染的区域，满足现行《环境空气质量标准》GB3095的规定；
2)当厂址周边存在污染源时，厂址应布置在污染源的上风向，条件受限时应采取可靠措施避免污染源对工厂的影响；
3)除车间供氢站、氢气罐外，建筑物、构筑物等设施宜联合布置；
4)厂区功能分区应明确，道路宽度应满足消防、运输、安全间距等要求；
5)建筑物外形宜规整，各项设施的布置应紧凑合理。
5.2.2建筑物间距应满足安全、消防、运输、卫生等要求，并应符合各种工程管线的布置、绿化布置、施工安装与检修、竖向设计的要求。
5.2.3总平面布置应利用地形、地势及工程地质条件，按下列要求进行布置：
1)应依据生产工艺要求布置建筑物、构筑物及有关设施；
2)应满足场地排水及道路接口的竖向设计要求；
3)应根据物流装卸、废水重力流等因素进行竖向设计；
4)扩建、改建工程应优先使用原有设施。
5.2.4动力站房宜靠近主厂房布置。
5.2.5化学品库应单独设置、单独管理，应位于厂区的边缘地带，可用围栏或围墙隔开。
5.2.6资源回收站可单独设置，也可与其他辅助设施组合布置。
5.2.7办公、食堂等设施宜与生产区分开，成组布置。
5.2.8建筑物之间防火间距应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定。
5.2.9消防车道设置应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定。
5.2.10车间供氢站总平面布置防火间距见表2：
表2车间供氢站平面布置防火间距表
名称最小防火间距
（m）
其他建筑物耐火等级一、二级12
三级14四级16
高层厂房（仓库）13
甲类仓库20
电力系统电压为（35～500）KV且每台变压器容量在10MVA以上的室
外变、配电站以及工业企业的变压器总油量大于5t的室外降压变电站
25
民用建筑25
重要公共建筑50
明火或散发火花地点30
场外道路（路边）15
厂内主要道路（路边）10
厂内次要道路（路边）5
围墙5
架空电力线≥1.5倍电杆高度
5.2.11车间供氢站、氢气罐的布置，应按下列要求经综合比较确定：
1)宜布置在工厂常年最小频率风向的下风侧，并应远离明火或散发火花地点；
2)宜布置为独立建筑物、构筑物；
3)不应布置在人员密集地段和主要交通要道邻近处；
4)车间供氢站、氢气罐区距离其他建筑物、构筑物的距离小于等于25m时，相邻一侧应设置高度不低于2.2m的不燃烧体实体围墙；
5)宜留有扩建的余地。
5.3竖向设计
5.3.1燃料电池系统工厂场地的竖向设计应符合城市规划、防洪排涝要求，应与场外已有道路和规划道路的排水系统及工厂周围的地形标高相协调。场地最低设计标高应比周边市政道路的最低路段标高高出0.2m以上。
5.3.2场地内应设有排除地面及道路路面雨水至城市排水系统的设施，且宜按照当地规定采取雨水回收利用措施。
5.3.3竖向设计应与总平面布置同时进行，并结合实际地形、生产工艺、运输方式合理确定竖向布置方式。
5.3.4建筑物室内地坪标高高出室外地坪标高不应小于0.15m。
5.3.5建筑物装卸货平台的标高应与运输车辆的型号相匹配，满足装卸要求。
5.3.6厂区出入口标高不宜低于厂外道路路面标高。
5.4交通组织
5.4.1燃料电池系统工厂厂区宜设置环形道路，道路宽度应根据车辆、行人通行和消防需要确定。
5.4.2厂区出入口不宜少于两个，物流应有专用的出入口。厂内配套生活区宜设置单独的对外出口。
5.4.3燃料电池系统工厂的货物进出口与办公人流及车间工人入口宜分开布置。
5.4.4货物装卸场地宜靠近货流出口设置。货物装卸场地面积应能满足运输车辆的回车作业要求。货流出入口处宜设有货车等候区。
5.4.5停车位的布置应符合城市规划的要求。
5.4.6厂内道路路面承载能力应与相应货车载重能力相适应，宜采用水泥混凝土路面或沥青混凝土路面。
5.5绿化设计
5.5.1绿化应做到无表土裸露。绿化布置应满足安全、生产、运输、卫生、防火等要求。
5.5.2厂区绿化应充分利用建（构）筑物的周围、道路两侧、地下管线的地面和边角地等空地。5.5.3绿化所选择植物应适合当地生长的环境，同时不应对生产环境和产品质量有影响。
6燃料电池系统工艺
6.1一般规定
6.1.1燃料电池系统工厂设计应满足安全、产品质量、产能、环保、职业卫生建康的要求。
6.1.2燃料电池系统工厂设计应具备一定的灵活性、适应性及可扩展性。
6.1.3燃料电池系统工厂工艺设计应利于降低工厂造价和运行费用。
6.1.4生产空间及其布置、生产环境参数和动力供应条件应根据工艺生产的要求确定，同时兼顾技术改造升级。
6.2工艺设计原则
6.2.1工艺区划应根据工艺特点和安全要求进行设置，涉氢区域及非涉氢区应根据生产性质进一步明确细分。
6.2.2产线设计方式应包括物料供应区、预装区、装配区、测试区（非涉氢）、测试区（涉氢）、返修区。
6.2.3涉氢测试区域应靠外墙设置，涉氢测试区域设置需考虑氢气的来向。
6.2.4工艺设计应采用先进的工艺技术，并应符合“安全适用、技术先进、经济合理、成熟可靠”的原则。应有利于提高产品产量、质量和降低消耗，有利于提高劳动生产率和资源的综合利用。
6.2.5工厂中应设置与主生产工艺及测试相关的辅助生产设施。
6.3基本工序
燃料电池系统工厂生产工序包括：来料检验(包含零部件功能测试)，零部件分装，总装，基本功能测试，性能测试，包装入库等。
燃料电池系统工厂典型生产工序参考附录A。
6.4工艺区划
6.4.1工艺区划应根据工艺特点和安全要求进行设置。
6.4.2各工艺设备应根据工艺流程并按工序集中的原则进行布置。
6.4.3来料检验区宜与库房就近设置。
6.4.4生产区域及测试区域应设置设备搬入通道，厂房应设置工艺设备、动力设备的搬入口及运输通道；通道宽度应满足人员操作、物料运输、设备安装、检修的要求。
6.4.5进入生产区域的人流和物流入口应该分开设置。
6.4.6厂房内设置参观设施时，参观区域及其通道应与生产区和性能测试区隔离，并应保证生产和测试区域物流和人员疏散通道的通畅。
6.4.7生产区内宜包含相对独立的清洗区域，具备零部件清洗的能力。
6.4.8工厂仓库宜设置原材料，成品，废料和危险化学品仓库，库房的设置应符合下列规定：
1)根据所存储物料的物理化学性质和存储环境要求分类设置；
2)仓库货架应按照存放货物类别分区存放，严禁非同一类物资混储；
3)物料和产成品存放，要考虑批次管理和先进先出；
4)主要原物料和成品仓库应设有出入库的物流运输通道并满足消防要求。
6.5设备配置
6.5.1大型主生产线宜采用自动化较高、柔性较好的AGV线或机械辊道线等。
6.5.2大型生产线装配完成的燃料电池系统宜采用自动化输送线输送至涉氢测试区，中小型生产线可采用手动或半自动输送方式，厂房应满足自动化输送线对环境的要求。
6.5.3涉氢测试设备宜设置可燃气体探测报警系统。
6.5.4工厂内涉氢测试区不应使用非防爆无线通讯设备。
7燃料电池系统测试区
7.1一般规定
7.1.1燃料电池系统测试区涵盖燃料电池电堆、系统和相应附件及总成的功能、性能、稳定性、安全等测试任务。
7.1.2燃料电池系统测试试验过程应满足燃料电池系统开发设计的法律法规。
7.1.3燃料电池系统测试试验室规划设计应满足现行国家法规和行业规范标准，并充分考虑当地地域特点和环境要求。
7.2工艺规划
7.2.1燃料电池系统测试区设计应做到实用性与先进性相结合。
7.2.2燃料电池系统测试区试验室及设备布局应按照物流便捷、方便测试原则进行布置。
7.2.3燃料电池系统试验区规划应满足试验功能相关性紧密程度、试验过程设备动静噪声等优化空间布置，同时应采取措施避免测试区域空气中存在导致电堆性能衰减的污染物。
7.2.4定义为甲类的燃料电池系统测试区的涉氢区域与非涉氢区域应采用防火防爆措施分隔，并满足本规范相关专业条文的规定。
7.3测试系统基本要求
7.3.1燃料电池系统测试包括性能测试和安全测试，设计应根据功能设置、试验内容、测试精度等要求在满足安全、便捷、合规的条件下布置。
7.3.2燃料电池系统测试设备宜与监控和馈电设备分区域布置，并采取相应安全技术措施。
8数字化工厂设计
8.1一般规定
8.1.1数字化工厂涵盖燃料电池系统工厂的数字化运营/营销平台、数字化设计平台、数字化生产平台、数字化设备平台、基础架构平台。实现燃料电池系统工厂所有业务范围，达成从工厂运营、产品设计直至产品营销和服务全过程价值管理的信息化、数字化、智能化目标。
8.1.2燃料电池系统工厂的数字化设计及建设应满足现行国家关于智能制造方面的法规和行业规范标准，并充分考虑当地政府对智能制造方面的鼓励引导政策。
8.1.3燃料电池系统工厂的数字化设计及建设应满足国家关于燃料电池产品的生产准入、产品安全运行监控等的要求。
8.2数字化工厂规划
8.2.1燃料电池系统工厂数字化工厂设计应做到充分结合工艺规划设计，并兼顾工厂建设投资成本，实现工厂数字化平台建设过程中的自动化、信息化、数字化、智能化系统的有机结合。
8.2.2燃料电池系统工厂数字化工厂设计应做到整体规划、分布实施、滚动发展的思路，同工厂建设、产品制造、产品营销、产品运行监控的实际阶段性目标相匹配。
8.3数字化工厂设计基本要求
8.3.1数字化工厂理念要贯穿于燃料电池系统工厂的规划设计、建设、生产运营、产品服务等全过程中，实现各阶段的知识数字化沉淀，并服务于以上各阶段，有效做到优化设计、降低建设成本、提升建设质量、加快建设进度、控制生产成本、提升产品质量、确保生产安全、满足客户个性化需求等等。
8.3.2数字化工厂设计范围至少涵盖：数字化企业运营平台、数字化设计平台、数字化生产平台、数字化设施/设备平台、基础架构平台。
9车间供氢站
9.1毗邻厂房设置的车间供氢站，应符合下列规定。
9.1.1氢气实瓶数≦60或占地面积＜500m2。
9.1.2应靠厂房外墙或端部布置。
9.1.3毗连厂房的墙应为无门、窗、洞的防爆防护墙。
9.2独立设置的车间供氢站，应符合下列规定：
9.2.1宜采用氢气长管拖车、长管拖车位≦3且供氢能力＜1000kg。当供氢能力不能满足生产需要时，应按照《加氢站技术规范》GB50516的规定设计车间供氢站。
9.2.2宜采用管道输送方式供氢。
9.2.3宜采用撬装式加氢装置，并满足现行《移动式加氢设施技术规范》GB/T31139规范要求。9.2.4车间供氢站火灾危险类别为甲类，站区设计应满足现行《加氢站技术规范》GB50516的要求。
9.2.5车间供氢站可预留液氢储罐及蒸发器、调压器的安装位置，其布置应满足现行国家规范和标准的要求。
10建筑结构
10.1一般规定
10.1.1燃料电池系统工厂的建筑平面和空间布局应满足产品生产工艺流程的要求，并适应产品生产发展的灵活性。
10.1.2燃料电池系统工厂应合理组织人流、物流及消防疏散路线，并根据需要设置参观通道。10.1.3厂房围护结构材料的选择应满足生产对环境的气密、保温、隔热、防火、防潮、防尘、耐久、
易清洗等要求。
10.1.4厂房围护结构传热系数限值应符合现行国家标准《工业建筑节能设计统一标准》GB51245的有关规定。外墙、外窗、屋面的内表面温度不应低于室内空气露点温度。
10.1.5厂房室内装修应符合现行国家标准《建筑内部装修设计防火规范》GB50222的有关规定。
10.2防火安全及疏散
10.2.1燃料电池系统工厂的耐火等级不应低于二级。
10.2.2燃料电池系统工厂各工作间生产的火灾危险性分类，应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定，各生产单元生产危险性划分如表3：
表3各生产单元生产危险性划分
序号名称火灾危险性分类
1电堆组装、零部件生产、安装、返修、
丁类
测试非涉氢区域等
2电堆及系统活化、测试甲类
3成品包装及下线丁类
4成品库、零部件库丁类
注：测试活化设备采用密闭式设备，氢气管道输送，无氢气循环收集时,活化、测
试间火灾危险性按照丁类划分。
10.2.3燃料电池工厂内防火分区的划分，应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定。
10.2.4定义为甲类的电堆及系统活化、测试（涉氢）部位应靠外墙布置且设抗爆泄压措施，应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定。应采用耐火时间为 3.0h防火隔墙和1.50h的楼板与其他部位分隔，如隔墙上需要开设相互连通的门时，应采用甲级防火门，并设门斗。
10.3室内装修
10.3.1燃料电池系统工厂的建筑围护结构和室内装修，应选用气密性良好，稳定无尘的内墙材料。
10.3.2车间门窗、壁板、楼地面的设计应满足使用功能的要求，构造和施工缝隙应采取密闭措施。地面应采用抗裂无尘地坪，并做防潮、防渗漏构造。
10.4结构设计
10.4.1燃料电池系统生产厂房抗震设防分类应符合现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223的有关规定，抗震设防类别不应低于标准设防类；结构的抗震措施及抗震构造措施应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的有关规定。
10.4.2燃料电池系统生产厂房建筑结构安全等级应符合现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153的有关规定，且安全等级不应低于二级，结构设计使用年限不应低于50年。10.4.3燃料电池系统生产厂房结构构件的耐久性应符合现行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》
GB/T50476的有关规定。
10.4.4燃料电池系统厂房结构的荷载作用效应及作用组合应根据现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153、《建筑结构荷载规范》GB50009、《钢结构设计标准》GB50017、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022、《混凝土结构设计规范》GB50010、《建筑抗震设计规范》GB50011等确定。
10.5建筑材料
10.5.1混凝土、钢筋的力学性能指标等要求应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定。
10.5.2钢材的力学性能指标等要求应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017的有关规定。
10.6厂房结构设计
10.6.1燃料电池系统生产厂房的结构型式宜选用门式轻钢结构厂房，也可选用多层钢结构或混凝土框架结构。
10.6.2燃料电池系统生产厂房屋盖系统根据其结构型式、开间跨度大小可采用下列结构形式：
1)有保温层的压型钢板轻型屋面；
2)现浇钢筋混凝土屋面。
10.6.3燃料电池系统生产厂房楼地面使用荷载标准值应根据设备的布置、重量、基座平台的做法、搬运动线等确定。
10.6.4燃料电池系统生产厂房楼屋面的吊挂荷载标准值应根据吊挂层的做法、管道布置等因素确定。
10.6.5燃料电池系统生产厂房整体抗震计算时，建筑重力荷载代表值中可变荷载取值宜按楼层设备实际荷载情况确定。
11气体管路
11.1一般规定
11.1.1气体管路设计应符合现行国家规范《工业金属管道设计规范》GB50316，管路布置力求短直、靠近使用点。
11.1.2氢气管路宜架空敷设，支架应采用非燃烧材料，沿非用氢建筑物外墙敷设时，该建筑物应为
一、二级耐火等级的丁、戊类生产厂房。
11.1.3气体管路抗震设计应符合现行国家规范《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981。
11.1.4气体管道应按不同介质设明显的标识，满足现行国家规范《工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识》GB7231。
11.2压缩空气系统
11.2.1空气压缩机的型号、台数和不同供气品质、参数的供气系统应根据生产工艺和试验要求结合投资、能耗等确定。
11.2.2空气压缩机和管路系统布置应采取减少震动、噪声的措施。
11.2.3压缩空气管道及阀门附件材质、管道敷设要求应符合现行国家标准《压缩空气站设计规范》GB50029。
11.3氢气系统
11.3.1氢气管道在车间进口处应设置紧急切断阀，并满足下列要求：
1)紧急自动切断阀宜设在室外；
2)紧急自动切断阀前应设手动切断阀；
3)紧急自动切断阀宜采用自动关闭、现场人工复位型，当氢气浓度达到设定值时，报警后关闭。
11.3.2氢气管道宜采用S31603不锈钢管，产品符合现行国家标准《流体输送用不锈钢无缝钢管》GB/T 14976或《流体输送用不锈钢焊接钢管》GB/T12771的规定。当管道设计液压试验压力大于相应管材出厂试验压力时，应向供方提出逐根复验要求。进口的管材、阀门、附件应有商检部门出具的商检合格证。
11.3.3氢气管道在各使用点处应装设净化过滤及减压装置，并方便检修。
11.3.4氢气管路系统上宜设置必要的取样口。
11.3.5氢气管道应设置吹扫口，设置位置应满足氢气管道内气体吹扫、置换要求。
11.4氮气系统
11.4.1氮气宜采用瓶组减压集中供气方式，通过管道输送。当气量需求较大时，可采用液氮储罐气化后减压供气方式。
11.4.2氮气管道、阀门及附件宜采用S30408不锈钢材质。
11.4.3为便于检测气体纯度，宜在管路系统上设置必要的取样口。
12.暖通
12.1一般规定
12.1.1燃料电池系统工厂暖通设计应满足工艺对生产环境的要求。
12.1.2厂区内严禁使用明火取暖。当设集中采暖时，应采用易于消除灰尘的散热器，且处于爆炸危险房间的散热器应采取隔热措施。
12.1.3采暖热源，宜采用城市、小区或临近单位的热源。
12.1.4站区内的采暖管道，宜采用直埋敷设。当采用地沟敷设时，地沟与可燃气体管道、油品管道
之间的距离，应符合现行国家标准《锅炉房设计规范》GB50041的有关规定，其地沟应充沙填实，进、出建筑物处应采取隔断措施。
12.1.5工厂通风、空调系统设计应满足现行《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019的规定。
12.1.6有爆炸危险房间如电堆及系统活化、测试区域等的自然通风换气次数，每小时不应少于3次;事故排风装置换气次数每小时不应少于12次，并与可燃气体检漏装置联锁。
12.1.7燃料电池系统测试空气尾排应接至室外安全处高空排放，并在管道低点设置接水容器配有放水管。
12.2温湿度控制
12.2.1燃料电池系统生产车间及存储零部件仓库的环境温湿度宜在18~28℃、30-90%RH范围内。12.2.2系统测试台采用风冷时，应考虑设备散热对环境的影响。
13给水排水
13.1一般规定
13.1.1建筑给排水设计应满足《建筑给排水设计标准》GB50015的规定。
13.1.2室外给排水设计应满足《室外给水设计标准》GB50013、《室外排水设计规范》GB50014的规定。
13.1.3室内管线设计应满足《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981的规定。
13.2给排水
13.2.1给排水系统应根据生产工艺和实验设备对水质、水压的要求进行设计。
13.2.2管材及连接件应符合生产生活的使用要求，且根据工艺用水要求设计系统、管材、连接方式。
13.2.3给排水管道布置不应在生产设备、配电柜上方通过，不应妨碍生产操作、交通运输和建筑物的使用。
13.3工艺循环冷却水
13.3.1系统测试台架采用水冷时，循环冷却水温度宜为7—12℃，循环冷却水系统应保障连续供水。
13.3.2系统测试台架用去离子水应根据工艺需求设计。
13.3.3冷却水宜采用能够保证循环水水质的循环水系统，系统设置需考虑水力平衡。
13.4废水
13.4.1生产排水应根据废水的种类及其性质、排放方式、排放标准，按照项目建设环评要求进行设计。
14电气
14.1一般规定
14.1.1试验检测涉氢区域应布置在敞开式建筑区域，当受条件限制布置在非敞开式建筑区域时，区域内应设置氢气浓度检测、报警、切断和消防措施。
14.1.2区域内最高氢气浓度不应高于氢气爆炸极限下限的10%（≤0.4%）。
14.1.3区域内防爆电气设计范围可按本规范附录B的规定，并满足现行《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058的要求。
14.2供配电与照明
14.2.1厂房内的供配电及照明设计应满足规范《低压配电设计规范》GB50054和《建筑照明设计标准》GB50034的要求。
14.2.2涉氢区内的电气装置的级别和组别不应低于ⅡCT1。
14.2.3电力装置设计宜将设备和线路布置在防爆区以外，在满足工艺生产及安全的条件下应减少防爆设备的数量。
14.2.4电气线路应采用铜芯电缆，导体允许载流量不应小于熔断器熔体额定电流的1.25倍及断路器长延时过电流脱扣器整定电流的1.25倍。
14.2.5架空、桥架敷设电缆宜采用阻燃电缆。
14.2.6有爆炸危险房间应采用防爆灯具，灯具宜安装在较低处，并不应安装在可燃气体释放源的正上方。
14.3防雷接地、防静电
14.3.1涉氢区内建筑物防雷分类不低于第二类防雷建筑，除配置防直击雷外，根据建筑物的防雷等级，结合涉氢区屋面、内外部的用电设备和线路布置情况，采取相应的防雷电波侵入的措施。14.3.2防雷接地、电气设备的保护接地、信息设备工作地等接地应共用统一接地极，接地电阻应小于1欧姆，实测不满足要求时，增设人工接地极直至接地电阻达到要求。涉氢区内应配置局部独立等电位连接，区域内所有金属设备、金属管道等应可靠连接至局部等电位连接箱内。
14.3.3电力系统接地应采用TN-S系统。
14.3.4氢气系统应采取防静电措施，并符合现行《加氢站技术规范》GB50516，涉氢区域入口处应设静电消除装置。
14.4回馈电系统
14.4.1燃料电池系统工厂活化测试工段应根据发电功率参数设计匹配的回馈电系统。
14.4.2燃料电池系统工厂活化测试工段产生的电能通过再生能量式电池测试系统逆变后自动并网至回馈电系统，为防止此测试系统并网功能失效导致的电气短路，回馈电系统设计时应考虑配置具有高短路电流分段能力的塑壳断路器或框架断路器，并配置远程急停控制开关。
14.4.3馈电系统应布置在非涉氢区域。
14.4.4回馈电系统宜设置储能系统，将多余的电能储存后利用。
14.5消防配电与应急照明
14.5.1消防负荷应为二级负荷。消防用电设备作用于火灾时的控制回路，不应设置作用于跳闸的过载保护或采用变频调速器作为控制装置。
14.5.2应急照明和应急应满足现行国家标准《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》GB51309 14.5.3消防用电设备的电线电缆选择和敷设应满足火灾时连续供电的需要，所有电线电缆均应为铜芯。
14.5.4工厂内敷设的电线电缆应采用阻燃电缆，且电缆的阻燃级别不应低于B1级。
14.5.5消防用电设备的配电线路应采用耐火电线电缆，连接重要消防用电设备的配电线路，宜采用矿物绝缘类不燃性电缆。
15消防与安全
15.1一般规定
15.1.1燃料电池系统工厂建筑防火设计和消防系统设计应满足《建筑设计防火规范》GB50016规定。
15.1.2燃料电池系统工厂消防灭火设施设计应满足现行国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974、《气体灭火系统设计规范》GB50370、《二氧化碳气体灭火系统设计规范》GB50193、《火灾自动报警系统设计规范》GB50116及其他灭火系统设计规范标准。
15.2火灾报警系统
15.2.1生产车间、仓库、辅助性建筑等建筑物内，应根据现行国家标准要求设置火灾自动报警系统。
15.2.2电堆及系统活化、测试区域应设置单独的火灾报警及其联动控制系统，用于火灾探测、逻辑判断和自动灭火系统的联动控制。
15.2.3火灾报警系统设计应符合现行国家标准《火灾自动报警系统设计规范》GB50116的规定。15.2.4电堆及系统活化、测试区域内火灾报警探测器选用宜符合以下要求：
1)选用防爆型感温探测器2个以上，接入火灾自动报警系统；
2)选用防爆型火焰探测器2只以上，并接入火灾自动报警系统。
15.2.5非敞开式建筑区域的电堆及系统活化、测试区内应设置可燃气体保护装置并符合下列要求：
1)可燃气体探测器的布置应覆盖可能发生可燃气体泄漏的区域，能根据设定的气体浓度阈值进行分级响应输出；
2)响应输出信号分别接入建筑环境监控系统、火灾自动报警系统（灭火系统）和门禁系统。
3)用于电堆及系统活化、测试的氢气管道应在总管及各工位支管路设置电动切断阀。切断阀还应具备手动操作及阀门启闭状态信号反馈功能。
15.2.6火灾报警及其联动控制系统的监控管理，应符合以下要求：
1)建筑物专用火灾自动报警系统和电堆及系统活化、测试区域专用火灾报警及其联动控制系统，应具备对本厂所有燃料电池生产系统及相关建筑的消防设备实行监控管理、故障报警、信息显示、查询打印及信息上传消防控制室等功能。
2)火灾报警信号和装置状态信息、故障信号应上传到消防控制室。
3)消防控制室应设置消防远程集中监控系统，对本厂全部火灾报警系统和消防设备实施集中图形显示，实现监视控制、火警处置、故障报警、设备状态信息显示和查询打印等功能。
15.3气体灭火系统及其控制要求
15.3.1定义为甲类的电堆及系统活化、测试区布置在非敞开式建筑区域，空间相对密闭时，应设置固定自动灭火系统，进行惰化保护。可采用七氟丙烷（或IG541、IG100、CO2）气体灭火系统进行惰化保护。
15.3.2气体灭火系统主要技术要求如下：
1)一个电堆活化区域应设置为一个保护区；
2)喷头的设计与布置应确保灭火剂快速均匀喷放到区域内的任一个部位；
3)七氟丙烷设计惰化浓度不宜小于26%；如采用其他类型灭火剂，其惰化浓度应由试验来确定。
4)惰化持续时间不应小于30min；
5)惰化系统其他要求应符合现行国家标准《气体灭火系统设计规范》GB50370和《气体灭火系统及部件》GB25972的规定。
15.3.3气体灭火系统应具有自动、手动、现场机械启动方式和远程启动方式。
15.3.4气体灭火系统的启动应符合“先断气源、后灭火(惰化)”的要求。灭火系统控制组件应在接收到预警信号或火灾信号后，按灭火策略自动启动惰化系统和灭火系统。火灾自动报警系统（FAS）、环境管理系统（BAS）和门禁系统（ACS）联动控制策略应符合以下要求：
1)当一个可燃气体探测器（多选1）检测的可燃气体浓度达到第一阈值（爆炸浓度下限值的10%）时，或任一只感温探测器、火焰探测器报警时，由BAS关闭空调、启动事故风机，并关闭可燃气体管路阀门。
2)当两个可燃气体探测器检测的可燃气体浓度达到第二阈值（爆炸浓度下限的20%）或任两只感温探测器、火焰探测器报警时且判断可燃气体管路阀门关闭后，同时关闭事故风机，由火灾报警及其联动控制系统自动启动惰化系统和灭火系统，同时打开门禁系统。
当可燃气体管路切断阀拒绝关闭时，经监控中心人工确认后，应迅速人工切断可燃气体总管切断阀后，紧急启动灭火系统进行惰化，同时打开门禁系统。
15.3.5电堆及系统活化、测试区布置在非敞开式建筑区域，但其密闭条件不适合设置惰化系统保护时，应满足以下条件：
1)测试区内应设置氢气浓度检测、报警、切断；
2)测试区应设置备用（事故风机）通风机组（换气次数每小时不应少于12次），当氢气浓度达到爆炸浓度下限的10%时，应能发出报警信号、启动备用通风机组、关闭供氢管路紧急切断阀。15.4消防安全措施
15.4.1电堆及系统活化、测试区域消防设计应满足下列要求：
1)应采用敞开式建筑区域;
2)采用非敞开式建筑区域时，应设计事故排风换气系统，换气次数不少于12次/小时，并与氢气浓度报警装置连锁；风机设计应采用防爆型;
3)气体灭火系统管路应在进入防护区前设置防爆隔离阀，防爆隔离阀宜采用电动形式，并具备手动操作及启闭状态信号反馈功能。”
4)设有气体灭火系统的区域，应有适当的技术措施，确保区域有人员滞留时，系统处于禁止喷放状态。
15.4.2电堆及系统活化、测试区域安全疏散应符合下列要求：
1)当长度超过60m时，应增设1个中间疏散出口;
2)门应向疏散方向开启，门的最小净宽不宜小于0.9m;
3)电堆活化区的防火门应为甲级防火门;
4)其他要求参见现行国家标准《建筑防火设计规范》GB50016的相关规定。
15.5其他消防设施
15.5.1车间供氢站消防设施配置应满足《加氢站技术规范》GB50516规定。
15.5.2车间消防设施配置应满足《建筑灭火器配置设计规范》GB50140的规定。
15.5.3运维单位应在有人值班场所或消防控制室配置正压式空气呼吸器，不少于2套。正压式空气呼吸器应放置在专用设备柜内，定期检查，确保完好可用。
（规范性）
燃料电池系统工厂典型生产工序参考图
涉氢测试宜具备的能力：
1.核心部件的性能测试能力；
2.燃料电池系统的性能及可靠性测试能力。
（资料性）
爆炸危险区域范围典型示意图
图2a)敞开式建筑区域
图2b)非敞开式建筑区域
附录C
（资料性）
本规范用词说明
C.1为便于在执行本规范条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下：
①表示需要满足的要求，正面词采用“应”，反面词采用“不应”；
②表示可能的选择或特别适合的选择，正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”；
③表示允许，在一定条件下可以这样做的用词，采用“可”。
C.2条文中指明的一般性陈述写法为：“由……提出”或“为……应（宜）”。
燃料电池的原理及发展
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
燃料电池系统工厂设计规范
燃料电池系统工厂设计规范 1范围 本文件规定了燃料电池系统工厂设计的基本规定、总体规划、系统工艺、测试区、数字化工厂设计、车间供氢站、建筑结构、气体管路、暖通、给水排水、电气和消防与安全规范。 本规范适用于氢燃料质子交换膜燃料电池系统工厂的新建、改建、扩建工程设计，也适用于燃料电池系统研发、生产、测试的场所。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T24548燃料电池电动汽车术语 GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气 GB3836.14爆炸性环境第14部分：场所分类爆炸性气体环境 GB3095环境空气质量标准 GB50016建筑设计防火规范（2018年版） GB50177氢气站设计规范 GB/T31139移动式加氢设施技术规范 GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管 GB/T12771流体输送用不锈钢焊接钢管 GB50028城镇燃气设计规范 GB50516加氢站技术规范 GB50029压缩空气站设计规范 GB50316工业金属管道设计规范 GB4962氢气使用安全技术规程 GB7231工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识 GB50019工业建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50058爆炸危险环境电力装置设计规范 GB50116火灾自动报警系统设计规范 GB50222建筑内部装修设计防火规范
GB51245工业建筑节能设计统一标准 GB50011建筑抗震设计规范 GB51022门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB/T50476混凝土结构耐久性设计规范 GB50223建筑工程抗震设防分类标准 GB50010混凝土结构设计规范 GB50017钢结构设计标准 GB50153工程结构可靠性设计统一标准 GB50009建筑结构荷载规范 GB50974消防给水及消火栓系统技术规范 GB50193二氧化碳气体灭火系统设计规范 GB50370气体灭火系统设计规范 GB50140建筑灭火器配置设计规范 GB51309消防应急照明和疏散指示系统技术标准 GB25972气体灭火系统及部件 GB50981建筑机电工程抗震设计规范 GB50013室外给水设计标准 GB50014室外排水设计规范 GB50015建筑给排水设计标准 GB50054低压配电设计规范 GB50034建筑照明设计标准 氢燃料电池汽车安全指南（2019版） 3.术语 3.1 燃料电池系统fuel cell system 指氢燃料电池发动机，主要部件包括电堆、发动机控制系统、氢气供给系统、水热管理系统、空气供给系统等，在外接氢源及物料（空气、水）的条件下可以正常工作。 3.2 氢燃料fuel hydrogen 满足燃料电池系统正常工作的气态氢气燃料，品质符合现行《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》GB/T37244。
(完整版)试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点 燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（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)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。 3.1 碱性燃料电池（AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 3.1.1原理 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。 负极反应：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e- 正极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。 3.1.2 特点 低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。 3.2 磷酸燃料电池（PAFC） 磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于
综合设计：车载用动力燃料电池系统设计
车载用动力燃料电池系统设计 背景：随着汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增长，全球石油资源递减和环境污染等问题却日益突出。世界各国政府开始投入大量的人力、物力、财力竞相研制和开发旨在以节能、环保为终极目标的混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车。电动汽车作为一种节能、无污染的理想“零排放”汽车，理所当然地受到了广泛的关注与重视，并在今后汽车工业的发展中占有越来越重要的地位。燃料电池电动汽车（FCEV）由燃料电池提供动力源，主要是以氢燃料类型为主，其具有无污染、零排放、氢能资源丰富，制取方法很多，可获取性大等优势。以质子交换膜燃料电池为主，其燃料转换效率相比传统内燃机高达60%～70%，代表了新能源汽车的发展方向，我国863计划当中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。 一、FECV分类及构造 FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式，其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车，早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV，在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统，燃料电池发动机系统，电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置，在进行总布置时受到一些局限。新研发的FCEV采用了滑板式底盘，将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动
系统等，统统装在一个滑板式的底盘中，在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。采用多种现代技术，以计算机控制为核心和电子控制的"线传"系统(Control-by-wire)，CAN总线系统等，使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为燃料的FCEV;②以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。FCEV按"多电源"的配置不同，可分为:①纯燃料电池FCEV;②燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV;③燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。图 1 所示为典型的能量混合型的燃料电池动力系统示意图。这种车型不但具有纯燃料电池汽车的优点，还能够克服纯燃料电池汽车目前无法解决的缺陷。 图 1 燃料电池汽车混合动力系统示意图 二、动力蓄电池选型及参数设计 1 动力蓄电池的分类及比较作为辅助动力源的动力蓄电池，在汽车起步的工况下提供全部动力；当汽车在加速或爬坡等工况时，为主动力源
燃料电池控制系统
基于HCS12的实时嵌入式燃料电池控制系统 白日光3,1，萧蕴诗1，孙泽昌3,2 （1．同济大学控制工程与科学系，上海 200092；2．同济大学汽车学院，上海 200092； 3．同济大学摩托罗拉汽车电子联合实验室，上海 20092） 摘要：燃料电池控制器是燃料电池中非常关键的部分，对于燃料电池稳定而安全的工作有积极的作用。针对燃料电池控制中要求较高的实时性与可靠性，利用摩托罗拉16位单片机MC9S12DP256b把实时嵌入式系统UC/OS-II成功移植到控制中。本文结合HCS12单片机和Codewarrior编译器的特点详细介绍了内核的优化实现，并利用实例说明了嵌入式操作系统带来的优点。 关键词：UC/OS-II；燃料电池控制器（FCC）；MC9S12DP256b；移植；内核 Real Time Kernel Fuel Cell Control System Based on HCS12 Bai Riguang3,1，Xiao Yunshi1，Sun Zechang3,2 (1. Department of Control Engineering & Science, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2. Automobile College, Tongji University, Shanghai, 200092,China; 3. Tongji University Motorola Automobile Electronic Laboratory, Shanghai, 200092, China) Abstract: The Fuel Cell Controller (FCC) is an important part of Fuel Cell. It affects steady and safe running of Fuel Cell. Considering real time and reliability qualities of FCC, we port real time embedded operation system UC/OS-II to the controller using HCS12. With the characteristic of HCS12 single chip and Codewarrior, the paper introduces the implementation of the kernel in details, and shows the advantage of the embedded operation system by an example. Key words: UC/OS-II; fuel cell controller (FCC); MC9S12DP256b; port; kernel 0 引言 随着汽车工业的发展，人类对传统能源（如原油）的需求日益扩大，从而带来空气污染和资源枯竭两大问题，燃料电池作为一种新型的绿色能源开始受到人类的关注。结合由同济大学承担的国家863电动汽车重大专项——燃料电池轿车项目，需要开发适用于质子交换膜燃料电池稳定而安全工作的燃料电池控制器。考虑到燃料电池控制器硬件资源的需求，研究中利用了摩托罗拉公司的16位单片机MC9S12DP256b。为了进一步满足控制中高可靠性与实时性的要求，把内核公开的UC/OS-II实时嵌入式操作系统移植到此单片机中，从而使开发具有更好的扩展性。本文首次把实时嵌入式操作系统应用到燃料电池控制中，取得了良好的效果。 基金项目：国家863电动汽车重大专项（2003AA501）作者简介：白日光（1980—），男，硕士生，主要从事燃料电池控制器，过程控制与计算机控制方向研究。 萧蕴诗（1946—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为智能控制理论与系统。 孙泽昌（1953—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为汽车电子。1 系统平台介绍 1．1 硬件MC9S12DP256b]1[ MC9S12DP256b是摩托罗拉16位单片机HCS12家族中的一员，它的处理单元采用了16位的STAR12 CPU。此单片机内嵌了很多资源，包括256K FLASH,4K EEPROM，12K RAM，8通道定时器以及多种通信接口。此单片机可通过单线BDM进行程序的编译，下载和在线调试。 1．2 软件平台Codewarrior Codewarrior是Metrowerks公司开发的一个编程环境。这里使用的Codewarrior4.2是专门针对HCS12系列单片机开发的，他可以用来进行程序编辑，编译，连接和在线调试等多项功能，并支持多种语言功能，可在C中嵌入汇编程序。 1．3 嵌入式操作系统UC/OS-II内核]2[ UC/OS-II(Micro Control Operation System Two)是一种源代码公开的嵌入式操作系统, 程序绝大部分是用C语言写的, 带有少量的汇编程序, 并且有详细的说明和示例, 可移植、易调试, 稳定性与可靠性高, 功能也比较完善。在改进后的2.51版]3[中包括了任务管理，时间管理，任务间通信（消息，邮箱，信号量和标志）和内存管理等多项功能。
氢燃料电池电堆系统控制方案
AIR OUT AIR IN H2IN DI-WEG IN DI-WEG OUT 图1 1号电堆模块系统图 H2PURGE1 24V H2PURGE2
WEXPT 图2 车用1号电堆系统系统图
表1 模块附件表：
表2 车载系统附件表：
2.1 模块 ●冷却液与压缩空气热交换器 因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。考虑到要适应低温环境，最好采用。 ●氢气入口压力调整器 电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。 ●阳极压力保护 为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。采用安全阀SRV-H5保护。 ●外增湿器 外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。具体是否采用，要看电堆的需求。 ●氢气循环 氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。 ●氢气吹扫（排放）阀 氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。 要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若
不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。 ●电堆空气出口压力 电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。为防止憋压，比例阀为常开阀。 ●电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测 电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。在模块中需要加入检测单元。绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。 ●电机调速器的电源 因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。 氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。 ●节电池电压巡检单元 节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。 ●模块控制器 控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用
氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用
氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用 一、通信备用电源系统简介 通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。 铅酸蓄电池的优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。 当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。 鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。 二、氢燃料电池的原理 氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气（燃料）和氧气（来自空气）中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。 燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括：高效率（不受“卡诺循环”的限制）、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。 三、氢燃料电池与现有备用电源的比较 1、与铅酸电池的比较 和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括： 适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32℃或更高，这样每年可节约大量空调电费。 只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。 按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。 重量轻，不需特殊的承重处理。 占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。 寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。 安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如：当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。 2、与移动油机的比较 与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是： 自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。 低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。 四、通信备用氢燃料电池系统的应用 1、系统的接入 燃料电池系统可以布置于室内和室外，但作为通信备用电源系统，根据现有通信机房的
燃料电池的基本工作原理及主要用途
简述燃料电池的基本工作原理及主要用途 1.燃料电池的工作原理 燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。 以磷酸型燃料电池为例，其反应式为： 燃料极(阳极) H2→2H++2e- 空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O 综合反应式H2+1／2O2→H2O 以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。 2. 燃料电池的应用 2.1能源发电 燃料电池电站的每一套设备都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。分为以下几个分单元：①燃料电池组②燃气制备③空气压缩机④水再生利用⑤逆变器⑥测量与控制系统。燃料电池组产生的直流电通过逆变器转换成电力系统所需的交流电。各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电站的应用前景看好。 2.2汽车动力 目前，各国的汽车时用量均在不断增加，其排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一，特别是发展中国家，由于环境治理的力度不够，这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点，适合做汽车动力，是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。 2.3家庭用能源 天然气作为一种洁净的能源已经在家庭中被广泛使用，但其主要被用于炊事和生活热水，以天然气为燃料的燃气电池在家庭中的广泛应用在开辟了天然气在家庭中一种新的用途的同时也将解决目前高峰用电紧张的状况。家庭的一切用电无论是电视机、冰箱、空调等家用电气还是电脑等办公设备都可以通过燃料电池来提供电源，作为家庭使用的分散电源，并可同时提供家庭用热水和采暖，这样可将天然气的能量利用率提高到70％～90％。 2.4其它方面的应用 碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其隐蔽性；同时由于它们可在常温下启动工作，且能量密度高，还是理想的航天器工作电源。此外，质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。 总之，燃料电池的用途将越来越广泛，它将遍布我们身边的每个角落，成为我们生活中不可缺少的能量来源。
氢燃料电池电堆系统控制方案总结
word 整理版 AIR OUT AIR IN H2IN DI-WEG IN DI-WEG OUT 图1 1号电堆模块系统图 H2PURGE1 24V H2PURGE2
WEXPT 图2 车用1号电堆系统系统图word整理版
表1 模块附件表：
表2 车载系统附件表：
2.1 模块 ●冷却液与压缩空气热交换器 因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。考虑到要适应低温环境，最好采用。 ●氢气入口压力调整器 电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。 ●阳极压力保护 为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。采用安全阀SRV-H5保护。 ●外增湿器 外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。具体是否采用，要看电堆的需求。 ●氢气循环 氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。 ●氢气吹扫（排放）阀 氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。 要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若
不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。 ●电堆空气出口压力 电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。为防止憋压，比例阀为常开阀。 ●电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测 电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。在模块中需要加入检测单元。绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。 ●电机调速器的电源 因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。 氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。 ●节电池电压巡检单元 节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。 ●模块控制器 控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用
燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理 作者:佚名来源:不详录入:Admin更新时间：2008-8-18 10:07:07点击数：8 【字体：】 燃料电池的一般结构为:燃料（负极）|电解质（液态或固态）|氧化剂（正极）。在燃料电池中,负极常称为燃料电极或氢电极,正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。按电化学强弱,燃料的活性排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤。燃料的化学结构越简单,建造燃料电池时可能出现的问题越少。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液, 固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液体电解质中应用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固体电解质为无孔膜,薄膜厚度约为20μm。 燃料电池的反应为氧化还原反应,电极的作用一方面是传递电子、形成电流;另一方面是在电极表面发生多相催化反应,反应不涉及电极材料本身,这一点与一般化学电池中电极材料参与化学反应很不相同,电极表面起催化剂表面的作用。 在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为: O2＋2H2→2H2O 反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式： Eo=－(ΔG/2F)=1.23V η=ΔG/ΔH=83.0％ 式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。
燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程,必需采用多孔气体扩散电极和高效电催化剂,提高比表面,增加反应活性,提高电池比功率。 氢在负极氧化是氢原子离解为氢离子和电子的过程,若用有机化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氢气体,必要时还要除去毒化催化剂的有害杂质。这些反应可在电池内部或外部进行,需附加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢,燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度升高,氧的还原反应有相当的改善。高温反应有利于提高燃料电池反应活性。 对于燃料电池发电系统,核心部件是燃料电池组,它由燃料电池单体堆集而成,单体电池的串联和并联选择,依据满足负载的输出电压和电流,并使总电阻最低,尽量减小电路短路的可能性。其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理,实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或起动,有的需要加热,工作时放出相当的热量,由热量管理装置合理地加热或除热。燃料电池工作时,在碱性电解液负极或酸性电解液正极处生成水。为了保证电解液浓度稳定,生成的水要及时排除。高温燃料电池生成水会汽化,容易排除,水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池与化学电池一样,输出直流电压,通过电压变换成为交流电送到用户或电网。燃料电池发电系统通过自控装置使各个部件协调工作,进行统一控制和管理。
S WB 6 12 9 F C 燃料电池电动客车总体设计
S WB 6 12 9 F C 燃料电池电动客车总体设计 沈海燕，蒋季伟 （上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438） 摘要：简要介绍 SWB6129FC 燃料电池电动客车的造型、技术参数、整车配置等设计方案，提出燃料电池客车在电安全和氢安全方面的控制策略。 关键词：燃料电池；电动客车；动力系统；设计；策略 中图分类号：U469.72；U462.2 文献标志码：B 文章编号：1006- 3331（2011）02- 0033- 03 近几年，各国政府和汽车产业纷纷将发展重点转向新能源汽车。2010 年上海举办的世博会，就采用了低噪声、零排放的新能源汽车，一方面体现“城市让生活更美好”的主题，另一方面展示我国新能源汽车方面的成果。全球环境基金（GEF）和联合国开发计划署（UNDP）在中国采购燃料电池公共汽车，用于世博园内以及世博会后在嘉定指定区域内使用，上海汽车商用车技术中心承担整车的设计及产品试制工作。SWB6129FC 燃料电池电动客车正是在这种背景下研发的。 1设计原则 1）“安全”原则：整车采用强电及氢燃料，以乘客及使用维修人员的安全为设计最高原则。 2）“精品、高质”原则：优先采用成熟技术、成熟产品及高品质配件，确保整车的可靠性，并对各系统总成进行优化匹配，使整车性能先进、质量可靠。同时运用工业设计理念，确保各零部件外形美观、布置协调。 3）“人性化”原则：充分考虑操纵轻便性，维修方便性，使用过程简单化，工作环境舒适化。 4）“联合开发”原则：设计、生产过程中结合上汽集团内部和外部优质设计资源，充分调动和运用供应商的资源，进行联合开发。 5）“标准化、系列化、通用化”原则：大力采用国际、国家标准和行业标准，设计中优先采用上汽集团内现有车型的平台与零部件，提高研发和试制及生产效率，降低成本。 2 主要技术方案 2.1 主要技术参数 长×宽×高 /mm 11 990×2 550×3 450 轴距 / 前悬 / 后悬 /mm 5 940/2 670/3 390 整车整备质量 / 最大总质量 /kg 14 200/18 000 乘员座位数 / 最大乘员数 / 人 29+1+1/67 最高车速 /km/h ≥70 接近角 / 离去角 /° 7/ 7 一次加氢续驶里程 /km 220 2.2 整车造型 该车造型完全由我公司自主设计，外观造型突破目前传统的平滑、缺乏变化的现状，而以变化的棱线为主基调。前围型体更加立体、饱满，体现时代感和进取精神。后围更多地使用切面来表现形体，线条和特征更加硬朗，张显个性。整车外观新颖、美观、棱角分明，给人带来强烈的视觉冲击。整车的外观如图1所示。
燃料电池系统及其控制方法与设计方案
图片简介: 一种电子控制单元（ECU）（90），其用于估计在燃料电池1的层叠方向上布置的电池的湿润状态中的分散度。当确定了在湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，所述ECU（90）控制冷却剂的流量、气体的流量以及气体的压力，以将湿润状态中的分散度抑制在阈值以下。所述ECU（90）以比其他参数更高的优先级来控制冷却剂的流量。 技术要求 1.一种燃料电池系统，其特征在于包括： 燃料电池(1)，所述燃料电池用于通过在燃料气体和氧化气体之 间的电化学反应来产生电力，并且由单元电池的层叠堆栈来构成； 检测装置，所述检测装置用于检测在所述单元电池的层叠方向上 布置的所述单元电池的湿润状态中的分散度；以及 控制装置，当所述湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，所述 控制装置通过控制用于冷却所述单元电池的冷却介质的流量来抑制所 述湿润状态中的分散度，
其中，所述控制装置还控制所述燃料气体和所述氧化气体的气体 流量以及所述燃料气体和所述氧化气体的气体压力中的至少一项，以及 其中，所述控制装置对于冷却介质的流量、所述气体流量以及所 述气体压力设定优先级顺序，并且通过首先控制所述冷却介质的流量并且然后控制所述气体流量和/或所述气体压力，来根据该优先级顺序执行控制。 2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 所述控制装置执行控制以使得：在所述单元电池的所述层叠方向 上布置的所述单元电池中的、位于所述燃料气体、所述氧化气体和所述冷却介质的入口侧的一个电池的湿度，与和在该入口侧的该电池相对定位的终端电池的湿度变为彼此相等。 3.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统通过在 燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力并且通过单元电池的层叠堆栈来构成，所述控制方法的特征在于包括： (a)检测在所述单元电池的层叠方向上布置的所述单元电池的湿 润状态中的分散度；以及 (b)当所述湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，通过控制用 于冷却所述单元电池的冷却介质的流量来抑制所述湿润状态中的分散度， 其中，重复执行所述(b)步骤，直至在所述湿润状态中的分散度 变得小于所述阈值，以及
燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究解析
山东科技大学学士学位论文 摘要 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。 但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。 本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将 5 KW质子交换膜燃料电池组85的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主~ 120 V 动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。 关键词: 燃料电池 DC/DC变换器 Boost电路 Multisim Matlab/Simulink
燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 ABSTRACT Fuel cell is a device which can transform chemical energy directly into electric energy. It is a green energy of high efficiency .which has various advantages such as high efficiency of power generation and density, environment friendly, stability and reliable operation, so it is regarded seriously by more and more people,becoming one of the most promising energy technology. However, the output voltage of the FC is not always very high and varies largely as the load changes.Therefore, power converter is essential in the Fuel cell generation system.which can boost the voltage of the FC and stabilize the voltage of the output of the power converter, in order to get required DC or AC. This paper mainly studies the DC/DC converter of the fuel cell generation system..This paper first introduces the background of selection of this subject, analyses the working theory and the output performance of PEMFC.Then, the paper introduces different innovation in DC/DC converters used in fuel cell system .What is followed is the key part, according to the characteristics of the electric vehicle and fuel cell system, boost circuit is chosed to topologies of DC/DC converter. Meanwhile, the paper presents the development and accomplish the conversion,and given analysis of the working principle of the circuit .The goal of the design is to boost the output voltage of 5KW PEMFC system varing between 85~120 V, to about 375V so that it can be inverted to 220V AC to supply for the light vehicle.With theoretical studying the design,criterions of key circuit parameters are gained,finally the author simulates the boost circuit for fuel cell with the software Multisim and Matlab/Simulink, in the end analyses the output waves,the advantages and disadvantages of this design. Key words:fuel cell DC/DC converter Boost circuit Multisim Matlab/Simulink
燃料电池原理
燃料电池发展综述 摘要本文对燃料电池的基本概念，基本工作原理和特性作了详细介绍，对其工作效率和提高效率的方法作了定量讨论，并着重研究了在中国有广阔应用前景的熔融氧化物燃料电池发电装置的工作情况，提出了改进方案。 关键词燃料电池MCFC 整体煤气化联合循环燃料电池 1 引言能源作为现代人类文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重视。目前能源利用中存在两大问题： （1）利用效率不高：普通的热力发电效率平均仅为30%－40%，面对日益紧缺的能源现状，提高能源利用效率迫在眉睫。 （2）污染严重：能源消耗中所产生的各种废气已严重污染了环境，给人类和生物生存空间带来严重威胁。面对如此现状，研究开发高效，节能，低污染的"绿色技术"--燃料电池成为当今一大热门话题。 由于成本过高，难以投入实际生产等原因，燃料电池（fuel cell）自从1893 年由英国人W.Grove 发明以后，曾一度被遗忘，直到本世纪60 年代后期也只能被用于阿波罗（Apollo）和双子星座（Gemini）宇宙飞船等特殊场合。可是近年来，由于低价格催化剂的开发，再加上许多一般发电方式不可比拟的优点，燃料电池发电特别是大规模发电厂的建设又重新为人们所重视。一般的火力发电是把燃料转换为热能，驱动气轮机旋转而发电，而燃料电池是把燃料的化学能直接转变为电能的装置，省去了热机的环节。燃料电池比普通发电方式有众多优点：1.不受热机效率（卡诺循环）的限制，从而使循环效率有了质的提高。实际效率可达60%以上。这比普通的蒸汽发电有很大的优越性。2.产物污染少，例如：氢氧燃料电池的最终产物只有水。3.由于无大型旋转机械，故噪音小。目前燃料电池的发展主要有两种趋势：第一是小型化，以适应在汽车和手提电脑内使用，主要以PEMFC 为代表。第二种是形成规模化燃料电池发电厂，以期替代传统的火力发电形成第四代新型能源。这方面主要以熔融碳酸盐型MCFC 为代表。本文将重点对其进行讨论。2 燃料电池基本工作原理按一般电池的表示方法，燃料电池可表示为Re/电解质/Ox 式中，Re 表示氢，肼，烃，CO 等活性还原剂。Ox 表示氧，过氧化氢等氧化剂；电解质为用氢氧化钾溶液，浓磷酸溶液，离子交换膜，熔融碳酸盐等，其原理模型如图 1 所示。比如现在设想一个用氢作燃料，用氧做氧化剂，电解质用氢氧化钾溶液的燃料电池。这个电池的体系可表示为H /KOH/O 这时电池反应为：图 1 燃料电池原理模型负极侧正极侧总反应由于燃料电池的基本性能对电站设计起重要作用，故首先对其进行必要的讨论。电池有两大基本性能参数：1.发电能量2.开路电压。现分别分析如下：（1）.最大发电能量根据化学热力学知，对以可逆定温反应的燃料电池，设和稳定流入系统，而从系统稳定流出，忽略动能和位能变化，则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为：由得：即消耗每kJ ，最大可发出237146kJ 的电能。如反应温度变为500K，根据G=H-TS 得：不同温度下（其它参数不变）燃料电池反应的最大输出电能如图3 所示，可见，随着温度的升高，输出最大有用功略有下降。（2）.开路电压一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差。如下式: 式中：E 为电池的电动势（V）为正极平衡电极电位（V）为负极平衡电极电位（V）在非标准状态下，电极电位由方程给出其中 a 和分别为电极反应中氧化态和还原态物质活度。对于总反应为的燃料电池有：（1）其中，可见，提高温度可使开路电压和E 提高，如T=273.15 时而当T=900K 时，由式（1）可算得E=1.56v,同时我们看到，T 不变时，与lgP P 成正比，如图 4 所示图4 压力的对数与开路电压线性关系示意图可见：1.单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个电池串连的电堆（Stack）的方式。2.提高反应温度T 和反应气体压力可提高输出电压，从而