燃料電池系統(tǒng)簡介
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)為主要動力源的車輛，相對傳統(tǒng)內(nèi)燃機車或純電動汽車，具有無污染、高效率、加氫時間短、續(xù)駛里程長等特點，提升車輛的使用感受及環(huán)境友好性。
圖1 燃料電池工作示意圖
典型的燃料電池系統(tǒng)類型
針對以氫氣為陽極反應(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、純氧存儲帶來的體積和重量的增加，一般僅應(yīng)用于無法獲取空氣的領(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^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2 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、空氣中冷器、增濕器、空氣路閥件等零部件。外界環(huán)境的空氣通過濾清器的過濾，在壓縮機和中冷器的協(xié)同工作下達(dá)到電堆工作需求的氣體壓力與溫度，并在必要時經(jīng)過增濕器增濕后進(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)供給的氫氣通過噴射器調(diào)節(jié)后以一定壓力和流量進(jìn)入電堆陽極側(cè)參與反應(yīng)，并在必要時開啟排氫閥，排出陽極側(cè)積累的氮氣和液態(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。通過電流、電壓、溫度、壓力等傳感器的實時測量，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)行器動作，以實現(xiàn)對整車功率請求的響應(yīng)。
增濕方式
燃料電池電堆在反應(yīng)過程中，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，空氣通過增濕器后實現(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)通過一定的交換形式進(jìn)入空氣入口側(cè)，以實現(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，可實現(xiàn)空氣側(cè)無外增濕運行，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4 豐田MIRAI燃料電池車示意圖
豐田Mirai取消了空氣側(cè)增濕器，通過優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)和陽極操作方式，將陰極產(chǎn)生的水遷移到陽極并均勻分布在MEA上，實現(xiàn)系統(tǒng)自增濕。
通過優(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)生成的水向陽極的傳遞，并通過氫氣循環(huán)增濕和電堆溫度控制，實現(xiàn)電堆良好的水熱管理。
圖3 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)雙級空氣壓縮機增壓、中冷降溫后，通過增濕器進(jìn)行加濕，實現(xiàn)空氣供應(yīng)。氫系統(tǒng)通過不同大小兩個氫瓶實現(xiàn)氫氣供應(yīng)；冷卻流道采用“one cooling per two cells”原則，穩(wěn)定運行溫度；電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計和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)控制下實現(xiàn)高效協(xié)同工作。
圖4 本田Clarity燃料電池車示意圖
