燃料電池發動機：燃料電池系統及氫氣供應系統
發布時間：
2022-06-02
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時沒有機械傳動部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時沒有機械傳動部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。
燃料電池分為五個子系統——空氣供應子系統、氫氣供應子系統、水熱管理子系統、燃料電池電堆和控制子系統。
圖為質子交換膜上的水分布
1.1 燃料電池系統原理介紹
燃料電池系統指用于車輛、游艇、航空航天及水下動力設備等作為驅動動力電源或輔助動力,通過電化學反應過程將反應物(燃料和氧化劑)的化學能轉化為電能和熱能的系統
燃料電池系統原理如下圖所示,整個燃料電池系統由燃料電池堆、空氣供應子系統、氫氣供應子系統、水熱管理子系統、控制子系統組成。燃料電池堆是整個系統電化學反應的場所,其他子系統主要是相互協調確保燃料電池堆的電化學反應能夠正常、高效可靠地工作。
1.2 子系統構成及作用
1.2.1 空氣供應子系統
供氣子系統主要有壓縮機、膨脹機、電機、連接管道等組成。壓縮機的供氣狀況對燃料電池堆的電化學反應產生直接的影響，同時燃料電池堆的反應也影響著系統的供水、膨脹機的工作狀況等，這些因素都與燃料電池系統的輸出功率有關。當噴水量較小時，不需要圖中的水氣分離器;當采用干式壓縮機時，需要在壓縮機和燃料電池堆之間設置加濕器，用來增加進入電池堆的空氣的濕度，以保證系統的可靠、高效運行。
1.2.2 氫氣供應子系統
氫氣供應子系統主要包括儲氫系統、壓力調節閥、氫氣循環泵、加濕器、水分離器以及管路等，用以將質子交換膜燃料電在實際的質子交換膜燃料電池發動機系統集成設計過程中，針對不同的實際。隋況，氫氣供應子系統原理圖中的部分零部件可能被取消。
氫氣罐儲存的高壓氫氣經多級減壓后進入壓力調節閥，由壓力調節閥控制進入質子交換膜燃料電池陽極的氫氣壓力。壓力調節閥有電動壓力調節閥與機械壓力調節閥兩種類型。電動調節閥就是由燃料電池發動機的控制指令通過調節調節閥控制氣體的壓力;機械壓力調節閥則是以燃料電池陰極側空氣壓力作為參考值，利用閥內的機械結構來控制陽極側氫氣的壓力，并確保陰陽極側的壓力差在安全范圍內。如果是低壓質子交換膜燃料電池發動機，則由多級減壓閥直接減到某一壓力值即可，因此壓力調節閥就可以取消。
1.2.3 水熱管理子系統(thermal management system)
水熱管理子系統用以維持燃料電池系統的熱平衡,可以回收多余的熱量,并在燃料電池系統啟動時能夠進行輔助加熱的系統,保證燃料電池堆內部快速到達適宜的溫度區間,同時保證陰陽極兩側在最佳的工作區域內運行。
1.2.4 燃料電池電堆和控制子系統
燃料電池汽車核心部分的燃料電池系統有燃料電池堆、氫氣循環系統、加濕器和空壓機這四個關鍵部件。其中空氣壓縮機的作用是根據燃料電池堆的輸出功率為燃料電池提供所需壓力和流量的空氣,對于燃料電池系統的性能有著重要的影響。增加氧氣的供氣壓力可以使燃料電池系統的功率密度增加、燃料電池堆效率提高、體積尺寸減小。空壓機有幾點性能要求：
1)效率高。燃料電池空壓機的動力由燃料電池的輸出的電能提供,在輔助功耗中占比高達80%。如果空壓機效率過低會嚴重降低燃料電池系統的性能。
2)無油。燃料電池堆中的質子交換膜對油污十分敏感,如果不在無油環境下工作可能會因催化劑中毒而導致質子交換膜失效。
3)質量輕、體積小。車載燃料電池空壓機要安裝在汽車上,如果體積過大則會占據大量空間,影響整車的布置;而質量過大則會增加整車慣性,影響起步加速和制動性能。
4)動態響應快。車載燃料電池的功率變化頻繁,所以空壓機應盡量做到無延遲地對流量和壓力進行調整,以能夠跟蹤輸出功率的變化。
5)喘振線在小流量區。喘振線在小流量區能夠實現燃料電池在小流量高壓比的工況下高效運行。
6)噪聲低。空壓機作為燃料電池系統中最大的噪聲源之一,如果其噪聲不能被有效控制或隔離,則會降低駕車的舒適度。
目前常用的空壓機類型有渦旋式、螺桿式、活塞式、離心式、羅茨式和滑片式。
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