燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)：燃料電池系統(tǒng)及氫氣供應(yīng)系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)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(chēng)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(guò)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(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)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(chēng)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(guò)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(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)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(gè)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(chē)輛、游艇、航空航天及水下動(dòng)力設(shè)備等作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電源或輔助動(dòng)力,通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(gè)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(gè)系統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)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(jī)、膨脹機(jī)、電機(jī)、連接管道等組成。壓縮機(jī)的供氣狀況對(duì)燃料電池堆的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)燃料電池堆的反應(yīng)也影響著系統(tǒng)的供水、膨脹機(jī)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(dāng)噴水量較小時(shí)，不需要圖中的水氣分離器;當(dāng)采用干式壓縮機(jī)時(shí)，需要在壓縮機(jī)和燃料電池堆之間設(shè)置加濕器，用來(lái)增加進(jìn)入電池堆的空氣的濕度，以保證系統(tǒng)的可靠、高效運(yùn)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(chǔ)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(shí)際的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)不同的實(shí)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(chǔ)存的高壓氫氣經(jīng)多級(jí)減壓后進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)閥，由壓力調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池陽(yáng)極的氫氣壓力。壓力調(diào)節(jié)閥有電動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥與機(jī)械壓力調(diào)節(jié)閥兩種類(lèi)型。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制指令通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥控制氣體的壓力;機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)控制陽(yáng)極側(cè)氫氣的壓力，并確保陰陽(yáng)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(dòng)機(jī)，則由多級(jí)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(dòng)時(shí)能夠進(jìn)行輔助加熱的系統(tǒng),保證燃料電池堆內(nèi)部快速到達(dá)適宜的溫度區(qū)間,同時(shí)保證陰陽(yáng)極兩側(cè)在最佳的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。
1.2.4 燃料電池電堆和控制子系統(tǒng)
燃料電池汽車(chē)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(jī)這四個(gè)關(guān)鍵部件。其中空氣壓縮機(jī)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(duì)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(jī)有幾點(diǎn)性能要求：
1)效率高。燃料電池空壓機(jī)的動(dòng)力由燃料電池的輸出的電能提供,在輔助功耗中占比高達(dá)80%。如果空壓機(jī)效率過(guò)低會(huì)嚴(yán)重降低燃料電池系統(tǒng)的性能。
2)無(wú)油。燃料電池堆中的質(zhì)子交換膜對(duì)油污十分敏感,如果不在無(wú)油環(huán)境下工作可能會(huì)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(chē)載燃料電池空壓機(jī)要安裝在汽車(chē)上,如果體積過(guò)大則會(huì)占據(jù)大量空間,影響整車(chē)的布置;而質(zhì)量過(guò)大則會(huì)增加整車(chē)慣性,影響起步加速和制動(dòng)性能。
4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。車(chē)載燃料電池的功率變化頻繁,所以空壓機(jī)應(yīng)盡量做到無(wú)延遲地對(duì)流量和壓力進(jìn)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(yùn)行。
6)噪聲低?？諌簷C(jī)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(huì)降低駕車(chē)的舒適度。
目前常用的空壓機(jī)類(lèi)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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