1.燃料电池体例1.1 燃料电池体例道理先容燃料电池体例指用于车辆、逛艇、航空航天及水下动力配置等动作驱动动力电源或辅助动力,通过电化学反映经过将反映物(燃料

燃料电池体例指用于车辆、逛艇、航空航天及水下动力配置等动作驱动动力电源或辅助动力,通过电化学反映经过将反映物(燃料和氧化剂)的化学能转化为电能和热能的体例

燃料电池体例道理如图3-1所示,一共燃料电池体例由燃料电池堆、氛围供应子体例、氢气供应子体例、水热料理子体例、职掌子体例构成。燃料电池堆是一共体例电化学反映的场地,其他子体例厉重是彼此妥洽确保燃料电池堆的电化学反映也许平常、高效牢靠地职责。

燃料电池堆由众个单体电池、隔板、冷却板、进气歧管等组成,是把富氢气体和氛围实行电化学反映天生直流电,并同时发生热、水等其他副产品的总成。燃料电池堆由众个单体电池以串联式样层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件 (MEA)瓜代叠合,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,即组成质子调换膜燃料电池堆。

氛围供应子体例的厉重效力是对进入燃料电池的氛围实行过滤、增湿、压力调度等方面的处罚,保障燃料电池电堆阴极侧温度、湿度、压力及流量正在最佳局限内。

氢气供应子体例也叫燃料处罚体例,其厉重效力是把输入的燃料实行增湿等合联处罚,从而转化成适于正在燃料电池堆内运转的富氢气体,保障燃料电池堆阳极侧温度、压力及流量(湿度),同时保障氢气的运用率。

水热料理子体例用以保卫燃料电池体例的热平均,可能接受众余的热量,并正在燃料电池体例启动时也许实行辅助加热的体例,保障燃料电池堆内部速捷来到适宜的温度区间,同时保障阴阳极两侧正在最佳的职责区域内运转。

ntrol system),包蕴传感器、施行器阀、开合、职掌逻辑部件等总成,保障氛围子体例、氢气子体例及水热料理子体例的各部件也许妥洽、高效地职责,使其可能阐扬出最大效力。

氛围供应子体例的效力是将具有肯定压力、流量以及湿度的氛围供应给燃料电池堆。广泛氛围供应体例包罗过滤装配、空压机、加湿器、调度阀等。个中地面运用的燃料电池平常采用氛围动作氧化剂,而航空和潜艇等额外场地则采用纯氧。氛围源委过滤装配(过滤掉氛围中的油滴、尘埃、水滴等杂质)、氛围流量计、空压机(弥补氛围进堆压力)、加湿器(弥补氛围进堆湿度)调度阀(调度氛围流量)等进入反映堆,氛围供应子体例道理如图3-2所示。

氛围动作燃料电池的氧化剂,其过流量和压力直接影响燃料电池堆的发滤电效用,当采用常压供应燃料电池堆器空压机调度阀时,燃料电池堆前的氛围增湿相对湿度要高,不然会导致膜电极失水,大幅度低落电池功能。采用加压氛围供气,电池组阴极的极化小于采用常压图3-2氛围供应子体例道理燃料电池氛围的极化,即电池组的功能会上升。于是,低本钱、低功耗、低质地体积比的空压机已成为咨询热门。

燃料电池汽车中央局部的燃料电池体例有燃料电池堆、氢气轮回体例、加湿器和空压机这四个环节部件。个中氛围压缩机的效力是遵照燃料电池堆的输出功率为燃料电池供给所需压力和流量的氛围,对付燃料电池体例的功能有着首要的影响。弥补氧气的供气压力可能使燃料电池体例的功率密度弥补、燃料电池堆效用降低、体积尺寸减小。空压机有以下几点功能央求:

燃料电池空压机的动力由燃料电池的输出的电能供给,正在辅助功耗中占比高达80%。借使空压机效用过低会要紧低落燃料电池体例的功能。

燃料电池堆中的质子调换膜对油污相称敏锐,借使不正在无油境况下职责可以会因催化剂中毒而导致质子调换膜失效。

车载燃料电池空压机要安置正在汽车上,借使体积过大则会吞没多量空间,影响整车的摆设;而质地过大则会弥补整车惯性,影响起步加快和制动功能。

车载燃料电池的功率转变屡次,因而空压机应尽量做到无延迟地对流量和压力实行调解,以也许跟踪输出功率的转变。

空压机动作燃料电池体例中最大的噪声源之一,借使其噪声不行被有用职掌或隔绝,则会低落驾车的惬意度。

1)涡旋式空压机容积效用较高,压力和流量可相联调解,高效用职责区较宽,但质地和体积较大;正在丰田、UTC等公司的燃料电池中已有运用。涡旋式空压机如图3-3所示。

2)螺杆式空压机的职责道理是运用螺旋齿彼此啮合,螺杄啮合线把螺旋槽破裂成众个密封职责腔,螺杆转动,密封腔正在一端变成,接续向另一端挪动。螺杆式空压机又分为双螺杄和单螺杆两种,其职责道理如图3-4所示,双螺杆和单螺杆空压机如图3-5、图3-6所示。

螺杆式空压机因为构造紧凑、牢靠性好、质地轻,压力和流量调解矫捷,正在PlugPower、Ballard等公司的燃料电池中被采用。

3)离心式空压机具有排胸襟大、构造紧凑、体积小、呼应速、效用高、职责安稳和寿命长等特质,被以为是另日最有出道的增压式样之一,但正在低转速时要避免“喘振”的产生。

离心式空压机的职责道理是通过高速挽救的叶轮对气体做功,正在叶轮和扩压器的流道内,运用离心升压和降速扩压效力,将刻板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为离心式空压机道理图,图3-7b为某型离心式空压机功能MAP图。

4)罗茨式空压机属于反转式空压机,其职责道理如图3-8所示。正在其内部有两个罗茨转子相互啮合从而将气体截住,并将气体从进气口送到排气口。罗茨压缩机的职责经过可能概述为: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。伊顿公司已研制出合用于80W燃料电池体例的VS系列罗茨式空压机,且该空压机正在做功技能、功率密度以及经济性等方面具有较大的上风。

5)滑片式空压机是容积式挽救压缩机。转子挽救时,滑片受离心力的效力从槽中甩出,其端部紧贴正在气缸内皮相上,把新月形的空间破裂成若干扇形小室,称之为基元。跟着转子的相联挽救,基元容积从大到小循环不息地转变,由此抵达压缩气体的目标。滑片式空压机职责道理如图3-9所示。

燃料电池体例必要加湿反映气体,对付采用质子调换膜的燃料电池体例而言,气体反映物的相对湿度对膜的功能的影响是至合首要的。膜传输质子时必要质子以水合离子的办法存正在,而干燥的膜不具备传导质子的技能。于是,对反映气体实行加湿以保障质子调换膜的潮湿,是弥补质子调换膜的质子传导技能不行贫乏的方式。弥补反映气体的相对湿度会降低质子调换膜的电导率,低落膜电阻,从而降低燃料电池体例的输出功能;但相对湿渡过高也容易导致燃料电池堆内部产生水淹,从而影响其功能。

现正在燃料电池堆采用的加湿技能厉重分为内部加湿、自加湿和外部加湿三种。内部加湿是运用燃料电池反映天生的水和水正在质子调换膜内的传达特质,完毕膜的自增湿;自加湿法是将催化铂金微粒子出席质子调换膜中,正在燃料电池发电时,寄托膜内自愿天生的水来增湿;外部加湿是正在燃料电池以外加上一个部件,使水蒸气和反映气体同时进入电池组中。以下是几种加湿方式的先容。

饱泡法加湿是正在燃料电池进气口前出席一个盛有蒸馏水的装配,此方式通过调度进入燃料电池气体的流量、蒸馏水的温度和液面高度来变更加湿量。图3-10为饱泡法加湿示妄图。

液态水喷射加湿装配由两个局部构成:高压喷射室和膨胀室。该装配是把水直接喷入燃料电池堆的气体导流板或进气管道中,水喷入后正在气体管道中变成雾状,当这股夹杂气体碰到燃料电池自己的反映热时,水雾就能赶速蒸发。此加湿装配是通过调度加湿气体的流量、喷射水的压力来变更加湿量的巨细。图3-11为液态水喷射增湿法示妄图。

湿膜加湿的经过是氛围正在与湿膜接触的经过中完毕热质的调换。通过改良电池内部构造,使其不必要借助外部配置就能坚持膜电极的适应湿度,保卫燃料电池的功能。这种技能厉重展现正在以下两个方面:一是通过増强膜两侧水浓度梯度的方式来巩固水由明极朝阳极的扩散;二是自増湿电解质膜的咨询,广泛用正在电解质膜内出席和SiO2顆粒的方式,个中起催化氢氧化合天生水的效力, SiO2起儲存水分的效力,正在电池缺水时开释出水。

通过调骨气体流量、湿膜的巨细和厚度以及水温来变更湿膜加湿器加湿量的巨细,将知足燃料电池职责所需的具有定温度、湿度的气体送入燃料电池。图3-12为湿膜增湿示妄图。

分泌膜增湿器是目前常用的大功率增湿器之一,图3-13所示为分泌膜增湿道理示妄图。它运用电池尾气对燃料电池堆的氧化剂(还原剂)实行增湿,和暖滋润的尾气(液态水)通过膜的一侧,然后正在浓度差的效力下扩散到膜的另一侧,末了蒸发至电池反映气中。这种增湿器所用的膜有良众种:微滤膜、超滤膜、反分泌膜、Teslin膜、Nafion膜和Gore-Tex膜

焓轮增湿器增湿道理如图3-14所示,中央部件为众孔陶瓷转轮,其皮相覆有一层吸水原料。增湿器职责时,陶瓷转轮正在电动机的策动下转动。当燃料电池湿热尾气(湿度靠拢100%的热、湿氛围)源委增湿器一侧时,陶瓷转轮招揽尾气中的热量且将水分积储于其皮相,然后转动到增湿器另一侧;当新奇氛围进入焓轮时,因为相对湿度以及温度较低,新奇氛围会将众孔陶瓷皮相吸附的水分以及热量带走,从而告终对反映气的加湿,同时招揽热量,温度也获得降低;末了将具有肯定温度、湿度的气体送入燃料电池。

氛围源委空压机压缩之后，温度会赶速升高可能抵达150℃以上。而PEMFC的职责温度区间般为60-90℃。高温氛围直接进人燃料电池堆不单会导致燃料电池堆功能降落，更有可以形成质子调换膜损坏。于是，必要运用中冷器将氛围温度低落到适合进堆的温度，源委中冷器之后，氛围温度会显明降落，相对湿度也会有所降低。燃料电池体例运用的中冷器众运用间壁式中冷器，遵照冷却介质区别可能分为风冷式和水冷式两大类。中冷器职责道理如图3-15所示。

调度阀是通过担当调度职掌单位输出的职掌信号，借助动力操作去变更燃料电池堆阴极职责压力与流量的职掌元件。平常对付燃料电池体例而言，降低燃料电池堆的职责压力有利于革新燃料电池堆的输出特质。正在燃料电池体例中常运用调度阀的开度调解氛围道的背压，以降低燃料电池堆的功能，调度阀的安置处所众正在阴极排气管末了。

调度阀平常由施行机构和阀门构成。借使按行程特质，调度阀可分为直行程和角行程两种;按其所配施行机构运用的动力，可分为气动调度阀、电动调度阀和液动调度阀三种;按其性能和特质，可分为线性特质、等百分比特质及掷物线特质三种。调度阀实物如图3-16所示。

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