解讀燃料電池陰極側進氣系統：確保清潔與完美濕度
發布時間：
2023-12-07
解讀燃料電池陰極側進氣系統：確保清潔與完美濕度
質子交換膜燃料電池由通過半透膜彼此隔開的電極組成。大量串聯布置的這些電極膜單元形成燃料電池堆
在運行期間，燃料電池核心組件對進氣中存在的顆粒、有害氣體和水非常敏感。同時質子交換膜在工作中又需要空氣中保持充分的相對濕度，以確保它不會太干。為了確保燃料電池堆無故障運行和系統的使用壽命，顆粒的過濾和有害氣體的吸附以及有效的水分離非常重要。
據曼胡默爾透露，公司現已開發出用于燃料電池陰極通道并確保供應有效干凈空氣的創新型進氣系統。
資料顯示，曼胡默爾集團于1941年建于德國南部的路德維希堡，毗鄰斯圖加特。曼胡默爾集團致力于為國際汽車行業和工程機械行業開發和提供原廠配套設備。在汽車行業，曼胡默爾的產品包括多功能塑料空氣過濾系統、進氣歧管系統、液體過濾系統、空調濾清器和氣缸蓋罩以及用于車輛售后服務和維修的濾芯。
曼胡默爾集團作為擁有約80年過濾技術經驗的汽車零部件公司，在燃料電池領域相關零部件已有多年開發經驗。
針對陰極空濾凈化系統的研發，曼胡默爾集團早在十多年前已經開始：2008年，開始開發適用于輔助動力裝置的陰極空濾并在2009年進行首批樣品供應；2010年，在微型熱電聯產設備上提供陰極空濾進行測試并于2012年成功中標此項目；2013年，PROTECT+air系列陰極空濾成功中標德國F-Cell項目；2014年，開發適用于SOFC輔助動力裝置的陰極空濾；2016年，開發星形打折結構陰極空濾中標燃料電池叉車項目；2017年，推出了氨氣吸附增強的過濾材料；2019年，推出新一代車用級ENTARON FC系列陰極空濾系統。
今年1月，曼胡默爾官微透露，公司已加入國際氫能委員會Hydrogen Council。國際氫能委員會于 2017 年初在達沃斯世界經濟論壇上成立，是首個推動氫技術在全球能源轉型中發揮作用的由全球領先企業首席執行官組成的倡議組織。目前的成員是80多家領先的能源、運輸及工業企業。該理事會與政府決策者，國際當局和公眾一道，旨在建立將氫能作為解決方案，以促進退出化石燃料和核能，并實現《巴黎協定》的目標。
下文將著重介紹陰極側進氣系統的主要功能及曼胡默爾給出的產品技術方案。
第一步：清潔空氣
吸入的環境空氣通過帶有空氣分離器的臟空氣管道被引導到整個系統的核心部件陰極空氣濾清器。顆粒過濾層將進氣中的顆粒物質分離。過濾器濾芯的專用活性炭層吸收有害氣體，例如二氧化硫（SO2），氮氧化物（NOx）和氨（NH3），因此可以保護催化劑免受污染和降解。
在干凈空氣側，空氣流量傳感器測量進入系統的空氣量。該信息被用于計算氧氣與氫氣的精確比例，以確保最佳運行和燃料電池堆的效率。集成在干凈空氣管道中的諧振器可減輕令人不快的流動噪聲，同時管道中的波紋管可提供必要的運動補償。
第二步：完美濕度
干凈的空氣會通過壓縮機將足夠的空氣引導至燃料電池。這一過程導致氣體溫度升高，在進入燃料電池堆之前，通過位于壓縮機下游的冷卻器降低增壓空氣溫度。
為了使燃料電池運行最佳，進氣必須有充分的濕度。如果進氣太干，將對燃料電池堆中質子交換膜的電導率產生負面影響。因此，根據運行狀態，加濕器會將來自陰極排氣過程的水添加到進氣中來增加進氣濕度。在加濕的過程中可能會形成水滴，陰極水分離器將這些水滴分離出來實現對燃料電池堆的保護。
燃料電池堆上游的進氣控制閥門調節進氣流量，以確保實現理想的電化學反應。介質分配模塊中的顆粒過濾器（燃料電池堆的法蘭）還提供了額外的保護，以防止來自制造和組裝過程的顆粒進入燃料電池堆。
第三步：冷卻液過濾
燃料電堆反應產生的水由排氣管引導回到加濕器。在加濕器中濕度通過氣密的平板薄膜傳遞到進氣中。多余的水通過水分離器去除，以保護渦輪機免受水的沖擊造成損壞。排氣渦輪機用于利用系統中的動能來提高整體的效率。在將空氣引出排氣管之前，消聲器可消除超出目標存在的噪音。
除了進氣系統外，曼胡默爾還將過濾專業知識應用于冷卻回路。氫和氧在燃料電池中的反應產生的熱量并通過冷卻回來進行散熱。冷卻液顆粒過濾器將冷卻液回路中有害顆粒分離出來進行泵的保護。位于冷卻液旁通支路中的離子交換過濾器可將陰陽離子從系統中置換出來從而確保冷卻液電導率保持在允許的極限以下。
據了解，曼胡默爾利用專業的仿真知識以及豐富廣泛的設計專業知識來開發燃料電池陰極通道的進氣系統，實現單個供應商提供完整集成的系統。其不僅實現了各個組件的靈活完美匹配，還極大降低了部件間接口和簡化了安裝工藝，并確保燃料電池在整個使用壽命內的性能。
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