燃料电池发动机技术介绍燃料电池系统及氢气供应系统.docxVIP

燃料电池发动机技术介绍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

燃料电池堆(fuelcellstack)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。

空气供应子系统(airsupplysystem)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。

氢气供应子系统(fuelprocessingsystem)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。

水热管理子系统(thermalmanagementsystem)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。

电子控制子系统(automaticcontrolsystem)电子控制子系统也叫自动控制系统(automaticcontrolsystem)，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

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。

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