燃料電池系統簡介

 

燃料電池系統為以燃料電池電堆為核心，利用各子系統供應燃料及氧化劑進入電堆進行反應產生電能和純水，并通過冷卻液循環維持電堆溫度的發電系統。搭載燃料電池系統為主要動力源的車輛，相對傳統內燃機車或純電動汽車，具有無污染、高效率、加氫時間短、續駛里程長等特點，提升車輛的使用感受及環境友好性。

 

 

圖1 燃料電池工作示意圖

 

典型的燃料電池系統類型

 

針對以氫氣為陽極反應物的系統，燃料電池系統可分為氫-氧系統、氫-空系統和重整氫-空系統。其中，氫-氧系統因技術難度大、純氧存儲帶來的體積和重量的增加，一般僅應用于無法獲取空氣的領域，如潛艇和太空中。

 

重整氫/空氣系統

 

為避免氫氣車載儲存的復雜性，某些燃料電池系統可使用汽油、甲醇等碳氫燃料通過車載重整系統反應后生成氫氣，供燃料電池電堆反應。但車載的重整系統較為復雜，一方面重整制氫的條件較為苛刻，且生成的氫氣需進行凈化處理，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。目前應用該系統技術路線的車輛較少。

 

氫-空系統

 

氫-空系統為應用于車輛最常見的系統，包括豐田MIRAI、本田CLARITY、現代NEXO、上汽榮威FCV950等搭載的均為氫-空燃料電池系統。車載應用的燃料電池系統功率一般在30——100kW之間，一般采用反應介質加壓的燃料電池系統；該類系統一般由空氣子系統、氫氣子系統、熱管理子系統和控制系統組成。該類系統的典型架構如下圖所示。

 

 

圖2 典型的氫-空燃料電池系統架構

 

空氣子系統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。外界環境的空氣通過濾清器的過濾，在壓縮機和中冷器的協同工作下達到電堆工作需求的氣體壓力與溫度，并在必要時經過增濕器增濕后進入電堆陰極側參與反應。另外，空氣路閥件主要用于空氣路流量分配與壓力調節。

 

氫氣子系統一般包括氫氣噴射器和排氫閥等零部件。由車載供氫系統供給的氫氣通過噴射器調節后以一定壓力和流量進入電堆陽極側參與反應，并在必要時開啟排氫閥，排出陽極側積累的氮氣和液態水。

 

熱管理子系統一般包括冷卻泵、節溫器、散熱器等零部件，在冷卻液循環的條件下，將電堆反應生成的熱量排出系統外，以維持燃料電池電堆合適的反應溫度。

 

控制子系統一般包括燃料電池系統控制器、各傳感器、各執行器組成。通過電流、電壓、溫度、壓力等傳感器的實時測量，系統控制器根據當前系統狀態按一定的控制策略控制各執行器動作，以實現對整車功率請求的響應。

 

增濕方式

 

燃料電池電堆在反應過程中，質子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應效率，因此要求反應介質需攜帶一定量的水蒸氣進入電堆。目前常見的增濕方式分為外增濕和內增濕兩種。

 

外增濕一般是指在空氣子系統中包含增濕器，空氣通過增濕器后實現以較高的濕度進入電堆參與反應。增濕器的工作原理是電堆反應生成的水進入增濕器一側，在增濕器內通過一定的交換形式進入空氣入口側，以實現入口空氣的增濕。

 

內增濕一般是指在氫氣子系統中包含氫氣循環泵，將電堆出口濕氫氣與入口干氫氣混合實現電堆入口氫氣的增濕。系統在氫氣循環內增濕情況下，可實現空氣側無外增濕運行，提高系統集成度、降低系統成本。

 

車載燃料電池系統應用實例

 

2014年，豐田發布世界上首款商業化燃料電池汽車Mirai，也是首款搭載自增濕系統的燃料電池汽車。

 

 

圖4 豐田MIRAI燃料電池車示意圖

 

豐田Mirai取消了空氣側增濕器，通過優化電堆結構和陽極操作方式，將陰極產生的水遷移到陽極并均勻分布在MEA上，實現系統自增濕。

 

通過優化電堆結構，包括減小質子交換膜的厚度、采用氫/空逆流形式增加了陰極側生成的水向陽極的傳遞，并通過氫氣循環增濕和電堆溫度控制，實現電堆良好的水熱管理。

 

 

圖3 豐田MIRAI燃料電池系統架構圖

 

本田Clarity搭載的燃料電池系統高度集成，布置于引擎蓋下方。采用外部加濕，空氣經雙級空氣壓縮機增壓、中冷降溫后，通過增濕器進行加濕，實現空氣供應。氫系統通過不同大小兩個氫瓶實現氫氣供應；冷卻流道采用“one cooling per two cells”原則，穩定運行溫度；電堆結構設計和MEA改良，使電堆輕質且緊湊；電堆和空氣、氫氣、冷卻子系統在控制系統控制下實現高效協同工作。

 

 

圖4 本田Clarity燃料電池車示意圖