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燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)介

燃料電池系統(tǒng)為以燃料電池電堆為核心，利用各子系統(tǒng)供應(yīng)燃料及氧化劑進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電能和純水，并通過(guò)冷卻液循環(huán)維持電堆溫度的發(fā)電系統(tǒng)。搭載燃料電池系統(tǒng)為主要?jiǎng)恿υ吹能囕v，相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車或純電動(dòng)汽車，具有無(wú)污染、高效率、加氫時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，提升車輛的使用感受及環(huán)境友好性。

圖一 燃料電池工作示意圖

典型的燃料電池系統(tǒng)類型

針對(duì)以氫氣為陽(yáng)極反應(yīng)物的系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)可分為氫-氧系統(tǒng)、氫-空系統(tǒng)和重整氫-空系統(tǒng)。其中，氫-氧系統(tǒng)因技術(shù)難度大、純氧存儲(chǔ)帶來(lái)的體積和重量的增加，一般僅應(yīng)用于無(wú)法獲取空氣的領(lǐng)域，如潛艇和太空中。

重整氫/空氣系統(tǒng)

為避免氫氣車載儲(chǔ)存的復(fù)雜性，某些燃料電池系統(tǒng)可使用汽油、甲醇等碳?xì)淙剂贤ㄟ^(guò)車載重整系統(tǒng)反應(yīng)后生成氫氣，供燃料電池電堆反應(yīng)。但車載的重整系統(tǒng)較為復(fù)雜，一方面重整制氫的條件較為苛刻，且生成的氫氣需進(jìn)行凈化處理，另一方面常用的甲醇燃料存在一定毒性，需有可靠方法防止溢出。目前應(yīng)用該系統(tǒng)技術(shù)路線的車輛較少。

氫-空系統(tǒng)

氫-空系統(tǒng)為應(yīng)用于車輛最常見(jiàn)的系統(tǒng)，包括豐田MIRAI、本田CLARITY、現(xiàn)代NEXO、上汽榮威FCV950等搭載的均為氫-空燃料電池系統(tǒng)。車載應(yīng)用的燃料電池系統(tǒng)功率一般在30~100kW之間，一般采用反應(yīng)介質(zhì)加壓的燃料電池系統(tǒng)；該類系統(tǒng)一般由空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。該類系統(tǒng)的典型架構(gòu)如下圖所示。

圖二 典型的氫-空燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)

空氣子系統(tǒng)一般包括空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、空氣中冷器、增濕器、空氣路閥件等零部件。外界環(huán)境的空氣通過(guò)濾清器的過(guò)濾，在壓縮機(jī)和中冷器的協(xié)同工作下達(dá)到電堆工作需求的氣體壓力與溫度，并在必要時(shí)經(jīng)過(guò)增濕器增濕后進(jìn)入電堆陰極側(cè)參與反應(yīng)。另外，空氣路閥件主要用于空氣路流量分配與壓力調(diào)節(jié)。

氫氣子系統(tǒng)一般包括氫氣噴射器和排氫閥等零部件。由車載供氫系統(tǒng)供給的氫氣通過(guò)噴射器調(diào)節(jié)后以一定壓力和流量進(jìn)入電堆陽(yáng)極側(cè)參與反應(yīng)，并在必要時(shí)開(kāi)啟排氫閥，排出陽(yáng)極側(cè)積累的氮?dú)夂鸵簯B(tài)水。

熱管理子系統(tǒng)一般包括冷卻泵、節(jié)溫器、散熱器等零部件，在冷卻液循環(huán)的條件下，將電堆反應(yīng)生成的熱量排出系統(tǒng)外，以維持燃料電池電堆合適的反應(yīng)溫度。

控制子系統(tǒng)一般包括燃料電池系統(tǒng)控制器、各傳感器、各執(zhí)行器組成。通過(guò)電流、電壓、溫度、壓力等傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量，系統(tǒng)控制器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)按一定的控制策略控制各執(zhí)行器動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車功率請(qǐng)求的響應(yīng)。

增濕方式

燃料電池電堆在反應(yīng)過(guò)程中，質(zhì)子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應(yīng)效率，因此要求反應(yīng)介質(zhì)需攜帶一定量的水蒸氣進(jìn)入電堆。目前常見(jiàn)的增濕方式分為外增濕和內(nèi)增濕兩種。

外增濕一般是指在空氣子系統(tǒng)中包含增濕器，空氣通過(guò)增濕器后實(shí)現(xiàn)以較高的濕度進(jìn)入電堆參與反應(yīng)。增濕器的工作原理是電堆反應(yīng)生成的水進(jìn)入增濕器一側(cè)，在增濕器內(nèi)通過(guò)一定的交換形式進(jìn)入空氣入口側(cè)，以實(shí)現(xiàn)入口空氣的增濕。

內(nèi)增濕一般是指在氫氣子系統(tǒng)中包含氫氣循環(huán)泵，將電堆出口濕氫氣與入口干氫氣混合實(shí)現(xiàn)電堆入口氫氣的增濕。系統(tǒng)在氫氣循環(huán)內(nèi)增濕情況下，可實(shí)現(xiàn)空氣側(cè)無(wú)外增濕運(yùn)行，提高系統(tǒng)集成度、降低系統(tǒng)成本。

車載燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2014年，豐田發(fā)布世界上首款商業(yè)化燃料電池汽車Mirai，也是首款搭載自增濕系統(tǒng)的燃料電池汽車。

圖三 豐田MIRAI燃料電池車示意圖

豐田Mirai取消了空氣側(cè)增濕器，通過(guò)優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極操作方式，將陰極產(chǎn)生的水遷移到陽(yáng)極并均勻分布在MEA上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自增濕。

通過(guò)優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)，包括減小質(zhì)子交換膜的厚度、采用氫/空逆流形式增加了陰極側(cè)生成的水向陽(yáng)極的傳遞，并通過(guò)氫氣循環(huán)增濕和電堆溫度控制，實(shí)現(xiàn)電堆良好的水熱管理。

圖四 豐田MIRAI燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)圖

本田Clarity搭載的燃料電池系統(tǒng)高度集成，布置于引擎蓋下方。采用外部加濕，空氣經(jīng)雙級(jí)空氣壓縮機(jī)增壓、中冷降溫后，通過(guò)增濕器進(jìn)行加濕，實(shí)現(xiàn)空氣供應(yīng)。氫系統(tǒng)通過(guò)不同大小兩個(gè)氫瓶實(shí)現(xiàn)氫氣供應(yīng)；冷卻流道采用“one cooling per two cells”原則，穩(wěn)定運(yùn)行溫度；電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和MEA改良，使電堆輕質(zhì)且緊湊；電堆和空氣、氫氣、冷卻子系統(tǒng)在控制系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同工作。

圖五 本田Clarity燃料電池車示意圖