摘要
本研究针对制约燃料电池备用电源系统及其核心部件可靠性和耐久性关键技术问题，通过新型层状密封材料设计、长寿命电池堆开发、具有全新拓扑结构高效逆变器的研制及系统功能模块高效集成与耦合等核心技术突破，设计开发出交流燃料电池系统样机及核心部件电池堆，并达到系统寿命大于3000小时，启停次数大于600次的可靠性、耐久性目标。本课题基于前期研发进展，全面完成2015年工作计划，达到相应考核指标，并取得部分关键技术的重大突破。研究成果主要包括以下几个方面： 1.利用一维Pt纳米催化剂优异的导电性能，通过Pt纳米管/氮掺杂石墨烯催化剂的制备与研究，大幅提升了催化剂的贵金属利用率，降低贵金属担载量与燃料电池成本。 2.在燃料电池运行工况条件下，系统研究了新型层状EPDM密封材料、导电填料增强热固性复合材料双极板及聚苯醚端板的性能和结构变化规律，测试结果显示上述材料的各项性能均达到课题要求技术指标。 3.根据备用电源系统要求，设计并优化了4 kW水冷电池堆开发，其输出功率、输出电压与输出电流等指标满足设计要求；目前，自主设计开发的4kW电堆已累计运行3000余小时，启停1000余次。 4.根据系统的设计要求和电源管理模块的技术路线，开发了交流整流模块、高效高频逆变器以及DC/DC变换器的实验样机，实验测试和数据分析结果显示，燃料电池功率变换系统在整个功率范围内的最高转换效率为90.4%。 5.针对燃料电池备用电源系统多模块协调控制要求，以燃料电池堆、BOP、电源管理模块等子模块的工作特性，进行了控制软件开发与优化，实现了系统的自动运行、远程监控及功率追踪等功能，提高运行的稳定性、可靠性。 6.根据备用电源系统的设计要求及实际应用需求，对系统组成部件的稳定性、成本、系统控制策略进行了评估和优化，增强了系统的自动化和智能化程度。并通过对系统的长时寿命测试建立了系统运行的故障类型，为千瓦级燃料电池备用电源系统的研发建立帕累托模型。目前系统已累计输出功率运行近3200小时，启停机次数超600次，服务自然时间达720天。
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