燃料電池發(fā)動機：燃料電池系統(tǒng)及氫氣供應(yīng)系統(tǒng)
發(fā)布時間：
2022-06-02
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
燃料電池分為五個子系統(tǒng)——空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、燃料電池電堆和控制子系統(tǒng)。
圖為質(zhì)子交換膜上的水分布
1.1 燃料電池系統(tǒng)原理介紹
燃料電池系統(tǒng)指用于車輛、游艇、航空航天及水下動力設(shè)備等作為驅(qū)動動力電源或輔助動力,通過電化學(xué)反應(yīng)過程將反應(yīng)物(燃料和氧化劑)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的系統(tǒng)
燃料電池系統(tǒng)原理如下圖所示,整個燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)組成。燃料電池堆是整個系統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)的場所,其他子系統(tǒng)主要是相互協(xié)調(diào)確保燃料電池堆的電化學(xué)反應(yīng)能夠正常、高效可靠地工作。
1.2 子系統(tǒng)構(gòu)成及作用
1.2.1 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)
供氣子系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直接的影響，同時燃料電池堆的反應(yīng)也影響著系統(tǒng)的供水、膨脹機的工作狀況等，這些因素都與燃料電池系統(tǒng)的輸出功率有關(guān)。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(shè)置加濕器，用來增加進入電池堆的空氣的濕度，以保證系統(tǒng)的可靠、高效運行。
1.2.2 氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)
氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)主要包括儲氫系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)閥、氫氣循環(huán)泵、加濕器、水分離器以及管路等，用以將質(zhì)子交換膜燃料電在實際的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)集成設(shè)計過程中，針對不同的實際。隋況，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)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(jīng)多級減壓后進入壓力調(diào)節(jié)閥，由壓力調(diào)節(jié)閥控制進入質(zhì)子交換膜燃料電池陽極的氫氣壓力。壓力調(diào)節(jié)閥有電動壓力調(diào)節(jié)閥與機械壓力調(diào)節(jié)閥兩種類型。電動調(diào)節(jié)閥就是由燃料電池發(fā)動機的控制指令通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥控制氣體的壓力;機械壓力調(diào)節(jié)閥則是以燃料電池陰極側(cè)空氣壓力作為參考值，利用閥內(nèi)的機械結(jié)構(gòu)來控制陽極側(cè)氫氣的壓力，并確保陰陽極側(cè)的壓力差在安全范圍內(nèi)。如果是低壓質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)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(diào)節(jié)閥就可以取消。
1.2.3 水熱管理子系統(tǒng)(thermal management system)
水熱管理子系統(tǒng)用以維持燃料電池系統(tǒng)的熱平衡,可以回收多余的熱量,并在燃料電池系統(tǒng)啟動時能夠進行輔助加熱的系統(tǒng),保證燃料電池堆內(nèi)部快速到達適宜的溫度區(qū)間,同時保證陰陽極兩側(cè)在最佳的工作區(qū)域內(nèi)運行。
1.2.4 燃料電池電堆和控制子系統(tǒng)
燃料電池汽車核心部分的燃料電池系統(tǒng)有燃料電池堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器和空壓機這四個關(guān)鍵部件。其中空氣壓縮機的作用是根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)的功率密度增加、燃料電池堆效率提高、體積尺寸減小?？諌簷C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(tǒng)的性能。
2)無油。燃料電池堆中的質(zhì)子交換膜對油污十分敏感,如果不在無油環(huán)境下工作可能會因催化劑中毒而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜失效。
3)質(zhì)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(jù)大量空間,影響整車的布置;而質(zhì)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(tài)響應(yīng)快。車載燃料電池的功率變化頻繁,所以空壓機應(yīng)盡量做到無延遲地對流量和壓力進行調(diào)整,以能夠跟蹤輸出功率的變化。
5)喘振線在小流量區(qū)。喘振線在小流量區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池在小流量高壓比的工況下高效運行。
6)噪聲低?？諌簷C作為燃料電池系統(tǒng)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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