燃料电池发动机:燃料电池系统及氢气供应系统


发布时间:

2022-06-02

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高; 另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料,同时没有机械传动部件,故排放出的有害气体极少,使用寿命长。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

  燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高; 另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料,同时没有机械传动部件,故排放出的有害气体极少,使用寿命长。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

  燃料电池分为五个子系统——空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统、燃料电池电堆和控制子系统。

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  图为质子交换膜上的水分布

  1.1 燃料电池系统原理介绍

  燃料电池系统指用于车辆、游艇、航空航天及水下动力设备等作为驱动动力电源或辅助动力,通过电化学反应过程将反应物(燃料和氧化剂)的化学能转化为电能和热能的系统

  燃料电池系统原理如下图所示,整个燃料电池系统由燃料电池堆、空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统、控制子系统组成。燃料电池堆是整个系统电化学反应的场所,其他子系统主要是相互协调确保燃料电池堆的电化学反应能够正常、高效可靠地工作。

  1.2 子系统构成及作用

  1.2.1 空气供应子系统

  供气子系统主要有压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成。压缩机的供气状况对燃料电池堆的电化学反应产生直接的影响,同时燃料电池堆的反应也影响着系统的供水、膨胀机的工作状况等,这些因素都与燃料电池系统的输出功率有关。当喷水量较小时,不需要图中的水气分离器;当采用干式压缩机时,需要在压缩机和燃料电池堆之间设置加湿器,用来增加进入电池堆的空气的湿度,以保证系统的可靠、高效运行。

  1.2.2 氢气供应子系统

  氢气供应子系统主要包括储氢系统、压力调节阀、氢气循环泵、加湿器、水分离器以及管路等,用以将质子交换膜燃料电在实际的质子交换膜燃料电池发动机系统集成设计过程中,针对不同的实际。隋况,氢气供应子系统原理图中的部分零部件可能被取消。

  氢气罐储存的高压氢气经多级减压后进入压力调节阀,由压力调节阀控制进入质子交换膜燃料电池阳极的氢气压力。压力调节阀有电动压力调节阀与机械压力调节阀两种类型。电动调节阀就是由燃料电池发动机的控制指令通过调节调节阀控制气体的压力;机械压力调节阀则是以燃料电池阴极侧空气压力作为参考值,利用阀内的机械结构来控制阳极侧氢气的压力,并确保阴阳极侧的压力差在安全范围内。如果是低压质子交换膜燃料电池发动机,则由多级减压阀直接减到某一压力值即可,因此压力调节阀就可以取消。

  1.2.3 水热管理子系统(thermal management system)

  水热管理子系统用以维持燃料电池系统的热平衡,可以回收多余的热量,并在燃料电池系统启动时能够进行辅助加热的系统,保证燃料电池堆内部快速到达适宜的温度区间,同时保证阴阳极两侧在最佳的工作区域内运行。

  1.2.4 燃料电池电堆和控制子系统

  燃料电池汽车核心部分的燃料电池系统有燃料电池堆、氢气循环系统、加湿器和空压机这四个关键部件。其中空气压缩机的作用是根据燃料电池堆的输出功率为燃料电池提供所需压力和流量的空气,对于燃料电池系统的性能有着重要的影响。增加氧气的供气压力可以使燃料电池系统的功率密度增加、燃料电池堆效率提高、体积尺寸减小。空压机有几点性能要求:

  1)效率高。燃料电池空压机的动力由燃料电池的输出的电能提供,在辅助功耗中占比高达80%。如果空压机效率过低会严重降低燃料电池系统的性能。

  2)无油。燃料电池堆中的质子交换膜对油污十分敏感,如果不在无油环境下工作可能会因催化剂中毒而导致质子交换膜失效。

  3)质量轻、体积小。车载燃料电池空压机要安装在汽车上,如果体积过大则会占据大量空间,影响整车的布置;而质量过大则会增加整车惯性,影响起步加速和制动性能。

  4)动态响应快。车载燃料电池的功率变化频繁,所以空压机应尽量做到无延迟地对流量和压力进行调整,以能够跟踪输出功率的变化。

  5)喘振线在小流量区。喘振线在小流量区能够实现燃料电池在小流量高压比的工况下高效运行。

  6)噪声低。空压机作为燃料电池系统中最大的噪声源之一,如果其噪声不能被有效控制或隔离,则会降低驾车的舒适度。

  目前常用的空压机类型有涡旋式、螺杆式、活塞式、离心式、罗茨式和滑片式。

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