技術(shù)| 燃料電池發(fā)動機：燃料電池系統(tǒng)及氫氣供應(yīng)系統(tǒng)
來源：CEA氫氫子衿 2021-01-25
1.燃料電池系統(tǒng)
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)原理如圖3-1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。
圖3-1 燃料電池系統(tǒng)原理
1.2 子系統(tǒng)構(gòu)成及作用
1.2.1 燃料電池堆(fuel cell stack)
燃料電池堆由多個單體電池、隔板、冷卻板、進氣歧管等構(gòu)成，是把富氫氣體和空氣進行電化學(xué)反應(yīng)生成直流電，并同時產(chǎn)生熱、水等其他副產(chǎn)物的總成。燃料電池堆由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件 (MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池堆。
1.2.2 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)(air supply system)
空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的主要作用是對進入燃料電池的空氣進行過濾、增濕、壓力調(diào)節(jié)等方面的處理，保證燃料電池電堆陰極側(cè)溫度、濕度、壓力及流量在最佳范圍內(nèi)。
1.2.3 氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)(fuel processing system)
氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)也叫燃料處理系統(tǒng)，其主要作用是把輸入的燃料進行增濕等相關(guān)處理，從而轉(zhuǎn)變成適于在燃料電池堆內(nèi)運行的富氫氣體，保證燃料電池堆陽極側(cè)溫度、壓力及流量(濕度)，同時保證氫氣的利用率。
1.2.4 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。
1.2.5 電子控制子系統(tǒng)
電子控制子系統(tǒng)也叫自動控制系統(tǒng)(automatic control system)，包含傳感器、執(zhí)行器閥、開關(guān)、控制邏輯部件等總成,保證空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)及水熱管理子系統(tǒng)的各部件能夠協(xié)調(diào)、高效地工作，使其可以發(fā)揮出最大效能。
2 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)
2.1 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)簡介
空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的作用是將具有一定壓力、流量以及濕度的空氣供應(yīng)給燃料電池堆。通常空氣供給系統(tǒng)包括過濾裝置、空壓機、加濕器、調(diào)節(jié)閥等。其中地面應(yīng)用的燃料電池一般采用空氣作為氧化劑,而航空和潛艇等特殊場所則采用純氧。空氣經(jīng)過過濾裝置(過濾掉空氣中的油滴、灰塵、水滴等雜質(zhì))、空氣流量計、空壓機(增加空氣進堆壓力)、加濕器(增加空氣進堆濕度)調(diào)節(jié)閥(調(diào)節(jié)空氣流量)等進入反應(yīng)堆,空氣供應(yīng)子系統(tǒng)原理如圖3-2所示。
空氣作為燃料電池的氧化劑，其過流量和壓力直接影響燃料電池堆的發(fā)濾電效率，當(dāng)采用常壓供給燃料電池堆器空壓機調(diào)節(jié)閥時，燃料電池堆前的空氣增濕相對濕度要高，否則會導(dǎo)致膜電極失水，大幅度降低電池性能。采用加壓空氣供氣,電池組陰極的極化小于采用常壓圖3-2空氣供應(yīng)子系統(tǒng)原理燃料電池空氣的極化，即電池組的性能會上升。因此，低成本、低功耗、低質(zhì)量體積比的空壓機已成為研究熱點。
圖3-2 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)原理
2.2 燃料電池專用空壓機
2.2.1 燃料電池汽車空壓機的作用及性能要求
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。空壓機有以下幾點性能要求:
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。空壓機作為燃料電池系統(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。
2.2.2 燃料電池汽車空壓機的類型
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。
1)渦旋式空壓機容積效率較高，壓力和流量可連續(xù)調(diào)整，高效率工作區(qū)較寬，但質(zhì)量和體積較大；在豐田、UTC等公司的燃料電池中已有應(yīng)用。渦旋式空壓機如圖3-3所示。
2)螺桿式空壓機的工作原理是利用螺旋齒相互嚙合；螺杄嚙合線把螺旋槽分割成多個密封工作腔，螺桿轉(zhuǎn)動，密封腔在一端形成，不斷向另一端移動。螺桿式空壓機又分為雙螺杄和單螺桿兩種；其工作原理如圖3-4所示，雙螺桿和單螺桿空壓機如圖3-5、圖3-6所示。
螺桿式空壓機由于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、質(zhì)量輕，壓力和流量調(diào)整靈活，在PlugPower、Ballard等公司的燃料電池中被采用。
圖3-3 渦旋式空壓機
圖3-4 螺桿式空壓機工作原理
圖3-5 雙螺桿空壓機
圖3-6 單螺桿空壓機
3)離心式空壓機具有排氣量大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、響應(yīng)快、效率高、工作平穩(wěn)和壽命長等特點,被認為是未來最有前途的增壓方式之一,但在低轉(zhuǎn)速時要避免“喘振”的發(fā)生。
離心式空壓機的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功,在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。Honeywell、MITI、LIEBHERR、AERITECH、MOHAWK、德燃動力等公司已研發(fā)了一系列用于燃料電池的離心式空壓機。圖3-7a為離心式空壓機原理圖,圖3-7b為某型離心式空壓機性能MAP圖。
4)羅茨式空壓機屬于回轉(zhuǎn)式空壓機,其工作原理如圖3-8所示。在其內(nèi)部有兩個羅茨轉(zhuǎn)子互相嚙合從而將氣體截住，并將氣體從進氣口送到排氣口。羅茨壓縮機的工作過程可以概括為：從入口封入氣體→排氣口的高壓過熱氣體返流→將封入及返流的氣體擠出。伊頓公司已研制出適用于80W燃料電池系統(tǒng)的VS系列羅茨式空壓機，且該空壓機在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟性等方面具有較大的優(yōu)勢。
圖3-7 離心式空壓機
a)離心式空壓機原理圖
b）某型離心式空壓機性能MAP圖
圖3-8 羅茨式空壓機工作原理
5)滑片式空壓機是容積式旋轉(zhuǎn)壓縮機。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，滑片受離心力的作用從槽中甩出，其端部緊貼在氣缸內(nèi)表面上，把月牙形的空間分割成若干扇形小室，稱之為基元。隨著轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，基元容積從大到小周而復(fù)始地變化，由此達到壓縮氣體的目的。滑片式空壓機工作原理如圖3-9所示。
圖3-9 滑片式空壓機原理
目前美國MechanologyLLC公司開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機。
2.3 加濕器
燃料電池系統(tǒng)需要加濕反應(yīng)氣體，對于采用質(zhì)子交換膜的燃料電池系統(tǒng)而言，氣體反應(yīng)物的相對濕度對膜的性能的影響是至關(guān)重要的。膜傳輸質(zhì)子時需要質(zhì)子以水合離子的形式存在，而干燥的膜不具備傳導(dǎo)質(zhì)子的能力。因此，對反應(yīng)氣體進行加濕以保證質(zhì)子交換膜的濕潤,是增加質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力不可缺少的方法。增加反應(yīng)氣體的相對濕度會提高質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率，降低膜電阻，從而提高燃料電池系統(tǒng)的輸出性能；但相對濕度過高也容易導(dǎo)致燃料電池堆內(nèi)部發(fā)生水淹，從而影響其性能。
現(xiàn)在燃料電池堆采用的加濕技術(shù)主要分為內(nèi)部加濕、自加濕和外部加濕三種。內(nèi)部加濕是利用燃料電池反應(yīng)生成的水和水在質(zhì)子交換膜內(nèi)的傳遞特性，實現(xiàn)膜的自增濕；自加濕法是將催化鉑金微粒子加入質(zhì)子交換膜中，在燃料電池發(fā)電時，依靠膜內(nèi)自動生成的水來增濕；外部加濕是在燃料電池之外加上一個部件，使水蒸氣和反應(yīng)氣體同時進入電池組中。以下是幾種加濕方法的介紹。
2.3.1 鼓泡法加濕
鼓泡法加濕是在燃料電池進氣口前加入一個盛有蒸餾水的裝置，此方法通過調(diào)節(jié)進入燃料電池氣體的流量、蒸餾水的溫度和液面高度來改變加濕量。圖3-10為鼓泡法加濕示意圖。
2.3.2 液態(tài)水噴射加濕
液態(tài)水噴射加濕裝置由兩個部分組成:高壓噴射室和膨脹室。該裝置是把水直接噴入燃料電池堆的氣體導(dǎo)流板或進氣管路中，水噴入后在氣體管路中形成霧狀，當(dāng)這股混合氣體遇到燃料電池本身的反應(yīng)熱時，水霧就能迅速蒸發(fā)。此加濕裝置是通過調(diào)節(jié)加濕氣體的流量、噴射水的壓力來改變加濕量的大小。圖3-11為液態(tài)水噴射增濕法示意圖。
圖3-10 鼓泡法加濕示意圖
圖3-11液態(tài)水噴射增濕法示意圖
2.3.3 濕膜加濕
濕膜加濕的過程是空氣在與濕膜接觸的過程中實現(xiàn)熱質(zhì)的交換。通過改進電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其不需要借助外部設(shè)備就能保持膜電極的適當(dāng)濕度，維持燃料電池的性能。這種技術(shù)主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是通過増強膜兩側(cè)水濃度梯度的方法來增強水由明極向陽極的擴散；二是自増濕電解質(zhì)膜的研究，通常用在電解質(zhì)膜內(nèi)加入和SiO2顆粒的方法，其中起催化氫氧化合生成水的作用， SiO2起儲存水分的作用，在電池缺水時釋放出水。
通過調(diào)節(jié)氣體流量、濕膜的大小和厚度以及水溫來改變濕膜加濕器加濕量的大小，將滿足燃料電池工作所需的具有定溫度、濕度的氣體送入燃料電池。圖3-12為濕膜增濕示意圖。
圖3-12 濕膜增濕示意圖
2.3.4 滲透膜增濕
滲透膜增濕器是目前常用的大功率增濕器之一，圖3-13所示為滲透膜增濕原理示意圖。它利用電池尾氣對燃料電池堆的氧化劑(還原劑)進行增濕,溫暖潮濕的尾氣(液態(tài)水)通過膜的一側(cè)，然后在濃度差的作用下擴散到膜的另一側(cè)，最后蒸發(fā)至電池反應(yīng)氣中。這種增濕器所用的膜有很多種：微濾膜、超濾膜、反滲透膜、Teslin膜、Nafion膜和Gore-Tex膜。
2.3.5 焓輪增濕器
焓輪增濕器增濕原理如圖3-14所示；核心部件為多孔陶瓷轉(zhuǎn)輪；其表面覆有一層吸水材料。增濕器工作時；陶瓷轉(zhuǎn)輪在電動機的帶動下轉(zhuǎn)動。當(dāng)燃料電池濕熱尾氣(濕度接近100%的熱、濕空氣)經(jīng)過增濕器一側(cè)時，陶瓷轉(zhuǎn)輪吸收尾氣中的熱量且將水分儲存于其表面；然后轉(zhuǎn)動到增濕器另一側(cè)；當(dāng)新鮮空氣進入焓輪時，由于相對濕度以及溫度較低，新鮮空氣會將多孔陶瓷表面吸附的水分以及熱量帶走，從而完成對反應(yīng)氣的加濕，同時吸收熱量，溫度也得到提高；最后將具有一定溫度、濕度的氣體送入燃料電池。
圖3-13 滲透膜增濕原理示意圖
圖3-14 焓輪增濕器原理示意圖
2.4 中冷器
空氣經(jīng)過空壓機壓縮之后，溫度會迅速升高可以達到150℃以上。而PEMFC的工作溫度區(qū)間般為60-90℃。高溫空氣直接進人燃料電池堆不僅會導(dǎo)致燃料電池堆性能下降，更有可能造成質(zhì)子交換膜損壞。因此，需要使用中冷器將空氣溫度降低到適合進堆的溫度，經(jīng)過中冷器之后，空氣溫度會明顯下降，相對濕度也會有所提高。燃料電池系統(tǒng)使用的中冷器多使用間壁式中冷器，按照冷卻介質(zhì)不同可以分為風(fēng)冷式和水冷式兩大類。中冷器工作原理如圖3-15所示。
2.5 調(diào)節(jié)閥
調(diào)節(jié)閥是通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變?nèi)剂想姵囟殃帢O工作壓力與流量的控制元件。一般對于燃料電池系統(tǒng)而言，提高燃料電池堆的工作壓力有利于改善燃料電池堆的輸出特性。在燃料電池系統(tǒng)中常利用調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整空氣路的背壓，以提高燃料電池堆的性能，調(diào)節(jié)閥的安裝位置多在陰極排氣管末端。
調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。如果按行程特點，調(diào)節(jié)閥可分為直行程和角行程兩種;按其所配執(zhí)行機構(gòu)使用的動力，可分為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥三種；按其功能和特性，可分為線性特性、等百分比特性及拋物線特性三種。調(diào)節(jié)閥實物如圖3-16所示。
圖3-15 中冷器工作原理
圖3-16 調(diào)節(jié)閥實物
