技術| 燃料電池發動機：燃料電池系統及氫氣供應系統
來源：CEA氫氫子衿 2021-01-25
1.燃料電池系統
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圖3-1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。
圖3-1 燃料電池系統原理
1.2 子系統構成及作用
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、進氣歧管等構成，是把富氫氣體和空氣進行電化學反應生成直流電，并同時產生熱、水等其他副產物的總成。燃料電池堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。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，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構成質子交換膜燃料電池堆。
1.2.2 空氣供應子系統(air supply system)
空氣供應子系統的主要作用是對進入燃料電池的空氣進行過濾、增濕、壓力調節等方面的處理，保證燃料電池電堆陰極側溫度、濕度、壓力及流量在最佳范圍內。
1.2.3 氫氣供應子系統(fuel processing system)
氫氣供應子系統也叫燃料處理系統，其主要作用是把輸入的燃料進行增濕等相關處理，從而轉變成適于在燃料電池堆內運行的富氫氣體，保證燃料電池堆陽極側溫度、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(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。
1.2.5 電子控制子系統
電子控制子系統也叫自動控制系統(automatic control system)，包含傳感器、執行器閥、開關、控制邏輯部件等總成,保證空氣子系統、氫氣子系統及水熱管理子系統的各部件能夠協調、高效地工作，使其可以發揮出最大效能。
2 空氣供應子系統
2.1 空氣供應子系統簡介
空氣供應子系統的作用是將具有一定壓力、流量以及濕度的空氣供應給燃料電池堆。通常空氣供給系統包括過濾裝置、空壓機、加濕器、調節閥等。其中地面應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。空氣經過過濾裝置(過濾掉空氣中的油滴、灰塵、水滴等雜質)、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)調節閥(調節空氣流量)等進入反應堆,空氣供應子系統原理如圖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濾電效率，當采用常壓供給燃料電池堆器空壓機調節閥時，燃料電池堆前的空氣增濕相對濕度要高，否則會導致膜電極失水，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空氣供應子系統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、低質量體積比的空壓機已成為研究熱點。
圖3-2 空氣供應子系統原理
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。
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，壓力和流量可連續調整，高效率工作區較寬，但質量和體積較大；在豐田、UTC等公司的燃料電池中已有應用。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構緊湊、可靠性好、質量輕，壓力和流量調整靈活，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、結構緊湊、體積小、響應快、效率高、工作平穩和壽命長等特點,被認為是未來最有前途的增壓方式之一,但在低轉速時要避免“喘振”的發生。
離心式空壓機的工作原理是通過高速旋轉的葉輪對氣體做功,在葉輪和擴壓器的流道內，利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉換為氣體壓力能。Honeywell、MITI、LIEBHERR、AERITECH、MOHAWK、德燃動力等公司已研發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式空壓機,其工作原理如圖3-8所示。在其內部有兩個羅茨轉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、功率密度以及經濟性等方面具有較大的優勢。
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壓縮機。轉子旋轉時，滑片受離心力的作用從槽中甩出，其端部緊貼在氣缸內表面上，把月牙形的空間分割成若干扇形小室，稱之為基元。隨著轉子的連續旋轉，基元容積從大到小周而復始地變化，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公司開發了用于燃料電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機。
2.3 加濕器
燃料電池系統需要加濕反應氣體，對于采用質子交換膜的燃料電池系統而言，氣體反應物的相對濕度對膜的性能的影響是至關重要的。膜傳輸質子時需要質子以水合離子的形式存在，而干燥的膜不具備傳導質子的能力。因此，對反應氣體進行加濕以保證質子交換膜的濕潤,是增加質子交換膜的質子傳導能力不可缺少的方法。增加反應氣體的相對濕度會提高質子交換膜的電導率，降低膜電阻，從而提高燃料電池系統的輸出性能；但相對濕度過高也容易導致燃料電池堆內部發生水淹，從而影響其性能。
現在燃料電池堆采用的加濕技術主要分為內部加濕、自加濕和外部加濕三種。內部加濕是利用燃料電池反應生成的水和水在質子交換膜內的傳遞特性，實現膜的自增濕；自加濕法是將催化鉑金微粒子加入質子交換膜中，在燃料電池發電時，依靠膜內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，此方法通過調節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 液態水噴射加濕
液態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流板或進氣管路中，水噴入后在氣體管路中形成霧狀，當這股混合氣體遇到燃料電池本身的反應熱時，水霧就能迅速蒸發。此加濕裝置是通過調節加濕氣體的流量、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熱質的交換。通過改進電池內部結構，使其不需要借助外部設備就能保持膜電極的適當濕度，維持燃料電池的性能。這種技術主要體現在以下兩個方面：一是通過増強膜兩側水濃度梯度的方法來增強水由明極向陽極的擴散；二是自増濕電解質膜的研究，通常用在電解質膜內加入和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。
通過調節氣體流量、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(液態水)通過膜的一側，然后在濃度差的作用下擴散到膜的另一側，最后蒸發至電池反應氣中。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輪；其表面覆有一層吸水材料。增濕器工作時；陶瓷轉輪在電動機的帶動下轉動。當燃料電池濕熱尾氣(濕度接近100%的熱、濕空氣)經過增濕器一側時，陶瓷轉輪吸收尾氣中的熱量且將水分儲存于其表面；然后轉動到增濕器另一側；當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的工作溫度區間般為60-90℃。高溫空氣直接進人燃料電池堆不僅會導致燃料電池堆性能下降，更有可能造成質子交換膜損壞。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。燃料電池系統使用的中冷器多使用間壁式中冷器，按照冷卻介質不同可以分為風冷式和水冷式兩大類。中冷器工作原理如圖3-15所示。
2.5 調節閥
調節閥是通過接受調節控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變燃料電池堆陰極工作壓力與流量的控制元件。一般對于燃料電池系統而言，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。在燃料電池系統中常利用調節閥的開度調整空氣路的背壓，以提高燃料電池堆的性能，調節閥的安裝位置多在陰極排氣管末端。
調節閥一般由執行機構和閥門組成。如果按行程特點，調節閥可分為直行程和角行程兩種;按其所配執行機構使用的動力，可分為氣動調節閥、電動調節閥和液動調節閥三種；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。調節閥實物如圖3-16所示。
圖3-15 中冷器工作原理
圖3-16 調節閥實物
