技术| 燃料电池发动机：燃料电池系统及氢气供应系统

1.燃料电池系统

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图3-1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。

图3-1 燃料电池系统原理

1.2 子系统构成及作用

1.2.1 燃料电池堆(fuel cell stack)

燃料电池堆由多个单体电池、隔板、冷却板、进气歧管等构成，是把富氢气体和空气进行电化学反应生成直流电，并同时产生热、水等其他副产物的总成。燃料电池堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件 (MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成质子交换膜燃料电池堆。

1.2.2 空气供应子系统(air supply system)

空气供应子系统的主要作用是对进入燃料电池的空气进行过滤、增湿、压力调节等方面的处理，保证燃料电池电堆阴极侧温度、湿度、压力及流量在最佳范围内。

1.2.3 氢气供应子系统(fuel processing system)

氢气供应子系统也叫燃料处理系统，其主要作用是把输入的燃料进行增湿等相关处理，从而转变成适于在燃料电池堆内运行的富氢气体，保证燃料电池堆阳极侧温度、压力及流量(湿度)，同时保证氢气的利用率。

1.2.4 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。

1.2.5 电子控制子系统

电子控制子系统也叫自动控制系统(automatic control system)，包含传感器、执行器阀、开关、控制逻辑部件等总成,保证空气子系统、氢气子系统及水热管理子系统的各部件能够协调、高效地工作，使其可以发挥出最大效能。

2 空气供应子系统

2.1 空气供应子系统简介

空气供应子系统的作用是将具有一定压力、流量以及湿度的空气供应给燃料电池堆。通常空气供给系统包括过滤装置、空压机、加湿器、调节阀等。其中地面应用的燃料电池一般采用空气作为氧化剂,而航空和潜艇等特殊场所则采用纯氧。空气经过过滤装置(过滤掉空气中的油滴、灰尘、水滴等杂质)、空气流量计、空压机(增加空气进堆压力)、加湿器(增加空气进堆湿度)调节阀(调节空气流量)等进入反应堆,空气供应子系统原理如图3-2所示。

空气作为燃料电池的氧化剂，其过流量和压力直接影响燃料电池堆的发滤电效率，当采用常压供给燃料电池堆器空压机调节阀时，燃料电池堆前的空气增湿相对湿度要高，否则会导致膜电极失水，大幅度降低电池性能。采用加压空气供气,电池组阴极的极化小于采用常压图3-2空气供应子系统原理燃料电池空气的极化，即电池组的性能会上升。因此，低成本、低功耗、低质量体积比的空压机已成为研究热点。

图3-2 空气供应子系统原理

2.2 燃料电池专用空压机

2.2.1 燃料电池汽车空压机的作用及性能要求

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。空压机有以下几点性能要求:

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。

2.2.2 燃料电池汽车空压机的类型

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。

1)涡旋式空压机容积效率较高，压力和流量可连续调整，高效率工作区较宽，但质量和体积较大；在丰田、UTC等公司的燃料电池中已有应用。涡旋式空压机如图3-3所示。

2)螺杆式空压机的工作原理是利用螺旋齿相互啮合；螺杄啮合线把螺旋槽分割成多个密封工作腔，螺杆转动，密封腔在一端形成，不断向另一端移动。螺杆式空压机又分为双螺杄和单螺杆两种；其工作原理如图3-4所示，双螺杆和单螺杆空压机如图3-5、图3-6所示。

螺杆式空压机由于结构紧凑、可靠性好、质量轻，压力和流量调整灵活，在PlugPower、Ballard等公司的燃料电池中被采用。

图3-3 涡旋式空压机

图3-4 螺杆式空压机工作原理

图3-5 双螺杆空压机

图3-6 单螺杆空压机

3)离心式空压机具有排气量大、结构紧凑、体积小、响应快、效率高、工作平稳和寿命长等特点,被认为是未来最有前途的增压方式之一,但在低转速时要避免“喘振”的发生。

离心式空压机的工作原理是通过高速旋转的叶轮对气体做功,在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压和降速扩压作用,将机械能转换为气体压力能。Honeywell、MITI、LIEBHERR、AERITECH、MOHAWK、德燃动力等公司已研发了一系列用于燃料电池的离心式空压机。图3-7a为离心式空压机原理图,图3-7b为某型离心式空压机性能MAP图。

4)罗茨式空压机属于回转式空压机,其工作原理如图3-8所示。在其内部有两个罗茨转子互相啮合从而将气体截住，并将气体从进气口送到排气口。罗茨压缩机的工作过程可以概括为：从入口封入气体→排气口的高压过热气体返流→将封入及返流的气体挤出。伊顿公司已研制出适用于80W燃料电池系统的VS系列罗茨式空压机，且该空压机在做功能力、功率密度以及经济性等方面具有较大的优势。

图3-7 离心式空压机

a)离心式空压机原理图

b）某型离心式空压机性能MAP图

图3-8 罗茨式空压机工作原理

5)滑片式空压机是容积式旋转压缩机。转子旋转时，滑片受离心力的作用从槽中甩出，其端部紧贴在气缸内表面上，把月牙形的空间分割成若干扇形小室，称之为基元。随着转子的连续旋转，基元容积从大到小周而复始地变化，由此达到压缩气体的目的。滑片式空压机工作原理如图3-9所示。

图3-9 滑片式空压机原理

目前美国MechanologyLLC公司开发了用于燃料电池系统的螺旋式交叉滑片压缩机。

2.3 加湿器

燃料电池系统需要加湿反应气体，对于采用质子交换膜的燃料电池系统而言，气体反应物的相对湿度对膜的性能的影响是至关重要的。膜传输质子时需要质子以水合离子的形式存在，而干燥的膜不具备传导质子的能力。因此，对反应气体进行加湿以保证质子交换膜的湿润,是增加质子交换膜的质子传导能力不可缺少的方法。增加反应气体的相对湿度会提高质子交换膜的电导率，降低膜电阻，从而提高燃料电池系统的输出性能；但相对湿度过高也容易导致燃料电池堆内部发生水淹，从而影响其性能。

现在燃料电池堆采用的加湿技术主要分为内部加湿、自加湿和外部加湿三种。内部加湿是利用燃料电池反应生成的水和水在质子交换膜内的传递特性，实现膜的自增湿；自加湿法是将催化铂金微粒子加入质子交换膜中，在燃料电池发电时，依靠膜内自动生成的水来增湿；外部加湿是在燃料电池之外加上一个部件，使水蒸气和反应气体同时进入电池组中。以下是几种加湿方法的介绍。

2.3.1 鼓泡法加湿

鼓泡法加湿是在燃料电池进气口前加入一个盛有蒸馏水的装置，此方法通过调节进入燃料电池气体的流量、蒸馏水的温度和液面高度来改变加湿量。图3-10为鼓泡法加湿示意图。

2.3.2 液态水喷射加湿

液态水喷射加湿装置由两个部分组成:高压喷射室和膨胀室。该装置是把水直接喷入燃料电池堆的气体导流板或进气管路中，水喷入后在气体管路中形成雾状，当这股混合气体遇到燃料电池本身的反应热时，水雾就能迅速蒸发。此加湿装置是通过调节加湿气体的流量、喷射水的压力来改变加湿量的大小。图3-11为液态水喷射增湿法示意图。

图3-10 鼓泡法加湿示意图

图3-11液态水喷射增湿法示意图

2.3.3 湿膜加湿

湿膜加湿的过程是空气在与湿膜接触的过程中实现热质的交换。通过改进电池内部结构，使其不需要借助外部设备就能保持膜电极的适当湿度，维持燃料电池的性能。这种技术主要体现在以下两个方面：一是通过増强膜两侧水浓度梯度的方法来增强水由明极向阳极的扩散；二是自増湿电解质膜的研究，通常用在电解质膜内加入和SiO2顆粒的方法，其中起催化氢氧化合生成水的作用， SiO2起儲存水分的作用，在电池缺水时释放出水。

通过调节气体流量、湿膜的大小和厚度以及水温来改变湿膜加湿器加湿量的大小，将满足燃料电池工作所需的具有定温度、湿度的气体送入燃料电池。图3-12为湿膜增湿示意图。

图3-12 湿膜增湿示意图

2.3.4 渗透膜增湿

渗透膜增湿器是目前常用的大功率增湿器之一，图3-13所示为渗透膜增湿原理示意图。它利用电池尾气对燃料电池堆的氧化剂(还原剂)进行增湿,温暖潮湿的尾气(液态水)通过膜的一侧，然后在浓度差的作用下扩散到膜的另一侧，最后蒸发至电池反应气中。这种增湿器所用的膜有很多种：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、Teslin膜、Nafion膜和Gore-Tex膜。

2.3.5 焓轮增湿器

焓轮增湿器增湿原理如图3-14所示；核心部件为多孔陶瓷转轮；其表面覆有一层吸水材料。增湿器工作时；陶瓷转轮在电动机的带动下转动。当燃料电池湿热尾气(湿度接近100%的热、湿空气)经过增湿器一侧时，陶瓷转轮吸收尾气中的热量且将水分储存于其表面；然后转动到增湿器另一侧；当新鲜空气进入焓轮时，由于相对湿度以及温度较低，新鲜空气会将多孔陶瓷表面吸附的水分以及热量带走，从而完成对反应气的加湿，同时吸收热量，温度也得到提高；最后将具有一定温度、湿度的气体送入燃料电池。

图3-13 渗透膜增湿原理示意图

图3-14 焓轮增湿器原理示意图

2.4 中冷器

空气经过空压机压缩之后，温度会迅速升高可以达到150℃以上。而PEMFC的工作温度区间般为60-90℃。高温空气直接进人燃料电池堆不仅会导致燃料电池堆性能下降，更有可能造成质子交换膜损坏。因此，需要使用中冷器将空气温度降低到适合进堆的温度，经过中冷器之后，空气温度会明显下降，相对湿度也会有所提高。燃料电池系统使用的中冷器多使用间壁式中冷器，按照冷却介质不同可以分为风冷式和水冷式两大类。中冷器工作原理如图3-15所示。

2.5 调节阀

调节阀是通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变燃料电池堆阴极工作压力与流量的控制元件。一般对于燃料电池系统而言，提高燃料电池堆的工作压力有利于改善燃料电池堆的输出特性。在燃料电池系统中常利用调节阀的开度调整空气路的背压，以提高燃料电池堆的性能，调节阀的安装位置多在阴极排气管末端。

调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按行程特点，调节阀可分为直行程和角行程两种;按其所配执行机构使用的动力，可分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三种；按其功能和特性，可分为线性特性、等百分比特性及抛物线特性三种。调节阀实物如图3-16所示。

图3-15 中冷器工作原理

图3-16 调节阀实物