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解密燃料电池系统的技术途径有哪些

发布时期:2020-12-18 22:19
阅读:1610

来源 | 捷氢科技一、燃料电池系统简介燃料电池系统为以燃料电池电堆为核心,利用各子系统供应燃料及氧化剂进入电堆进行反应产生电能和纯水,并通过冷却液循环维持电堆温度的发电系统。搭载燃料电池系统为主要动力源 ...

来历 | 捷氢科技


一、燃料电池系统简介


燃料电池系统为以燃料电池电堆为焦点,操纵各子系统供给燃料及氧化剂进入电堆停止反应发生电能和纯水,并经过冷却液循环保持电堆温度的发电系统。搭载燃料电池系统为首要动力源的车辆,相对传统内燃机车或纯电动汽车,具有无净化、高效力、加氢时候短、续驶里程长等特点,提升车辆的利用感受及情况友爱性。


图1 燃料电池工作表示图


二、典型的燃料电池系统范例


针对以氢气为阳极反应物的系统,燃料电池系统可分为氢-氧系统、氢-空系统和重整氢-空系统。其中,氢-氧系统因技术难度大、纯氧存储带来的体积和重量的增加,一般仅利用于没法获无暇气的范畴,如潜艇和太空中。


重整氢/空气系统


为避免氢气车载贮存的复杂性,某些燃料电池系统可利用汽油、甲醇等碳氢燃料经过车载重整系统反应后天生氢气,供燃料电池电堆反应。但车载的重整系统较为复杂,一方面重整制氢的条件较为刻薄,且天生的氢气需停止净化处置,另一方面常用的甲醇燃料存在一定毒性,需有牢靠方式避免溢出。今朝利用该系统技术线路的车辆较少。


氢-空系统


氢-空系统为利用于车辆最多见的系统,包括丰田


MIRAI(参数|图片)、本田


CLARITY(参数|图片)、现代NEXO、上汽荣威FCV950等搭载的均为氢-空燃料电池系统。车载利用的燃料电池系统功率一般在30~100kW之间,一般采用反应介质加压的燃料电池系统;该类系同一般由空气子系统、氢气子系统、热治理子系统和控制系统组成。该类系统的典型架构以下图所示。



图2 典型的氢-空燃料电池系统架构


空气子系统一般包括空气滤清器、空气紧缩机、空气中冷器、增湿器、空气路阀件等零部件。外界情况的空气经过滤清器的过滤,在紧缩机和中冷器的协同工作下到达电堆工作需求的气体压力与温度,并在需要时经过增湿器增湿落后入电堆阴极侧介入反应。别的,空气路阀件首要用于空气路流量分派与压力调理。


氢气子系统一般包括氢气放射器和排氢阀等零部件。由车载供氢系统供给的氢气经过放射器调理后以一定压力和流量进入电堆阳极侧介入反应,并在需要时开启排氢阀,排挤阳极侧堆集的氮气和液态水。


热治理子系统一般包括冷却泵、节温器、散热器等零部件,在冷却液循环的条件下,将电堆反应天生的热量排挤系统外,以保持燃料电池电堆合适的反应温度。


控制子系统一般包括燃料电池系统控制器、各传感器、各履行器组成。经过电流、电压、温度、压力等传感器的实时丈量,系统控制器按照当前系统状态按一定的控制战略控制各履行器行动,以实现对整车功率请求的响应。


增湿方式


燃料电池电堆在反应进程中,质子交换膜需保持一定的湿度以保证较高的反应效力,是以要求反应介质需照顾一定量的水蒸气进入电堆。今朝常见的增湿方式分为外增湿内增湿两种。


外增湿通常为指在空气子系统中包括增湿器,空气经过增湿器后实现以较高的湿度进入电堆介入反应。增湿器的工作道理是电堆反应天生的水进入增湿器一侧,在增湿器内经过一定的交换形式进入空气进口侧,以实现进口空气的增湿。


内增湿通常为指在氢气子系统中包括氢气循环泵,将电堆出口湿氢气与进口干氢气夹杂实现电堆进口氢气的增湿。系统在氢气循环内增湿情况下,可实现空气侧无外增湿运转,进步系统集成度、下降系统本钱。


三、车载燃料电池系统利用实例


2014年,丰田公布天下上首款贸易化燃料电池汽车Mirai,也是首款搭载自增湿系统的燃料电池汽车。



图3 丰田MIRAI燃料电池车表示图


丰田Mirai取消了空气侧增湿器,经过优化电堆结构和阳极操纵方式,将阴极发生的水迁移到阳极并均匀散布在MEA上,实现系统自增湿。


经过优化电堆结构,包括减小质子交换膜的厚度、采用氢/空逆流形式增加了阴极侧天生的水朝阳极的传递,并经过氢气循环增湿和电堆温度控制,实现电堆杰出的水热治理。



图4 丰田MIRAI燃料电池系统架构图


本田Clarity搭载的燃料电池系统高度集成,安插于引擎盖下方。采用内部加湿,空气经双级空气紧缩机增压、中冷降温后,经过增湿器停止加湿,实现空气供给。氢系统经过度歧巨细两个氢瓶实现氢气供给;冷却流道采用“one cooling per two cells”原则,稳定运转温度;电堆结构设想和MEA改良,使电堆轻质且松散;电堆和空气、氢气、冷却子系统在控制系统控制下实现高效协同工作。



图5 本田Clarity燃料电池车表示图



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