燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)-零部件篇

氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)零部件篇一、氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)簡介二、氫氣供給系統(tǒng)

2.1氫氣瓶

2.2過流閥

2.3減壓閥

2.4氫氣循環(huán)泵

2.5

汽水分離器三、

空氣供給系統(tǒng)

3.1空壓機

3.2

中冷器

3.3

增濕器四、

電堆4.1

雙極板4.2

膜電極五、熱管理系統(tǒng)5.1

去離子器

5.2

散熱模塊

一、氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)簡介182系統(tǒng)構(gòu)成（如左圖所示）：氫氣供給系統(tǒng)（綠色方框）空氣供給系統(tǒng)（藍色方框）反應(yīng)電堆（紫色圓框）熱管理系統(tǒng)（橙色方框）電控系統(tǒng)（本次不做介紹）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（本次不做介紹）釋義：氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，而將其應(yīng)用于汽車領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油發(fā)動機后，又被成為氫燃料電池發(fā)動機。氫氣供給系統(tǒng)是實現(xiàn)氫氣存儲，向電堆提供合適壓力、流量和濕度的氫氣以滿足車輛行駛的所有零部件的構(gòu)成，主要包括氫氣瓶、瓶口閥、過流閥、過濾器、減壓閥、截止閥、汽水分離器、氫氣循環(huán)泵及管路和接頭組成。2.1氫氣瓶車載儲氫中，高壓氣態(tài)儲氫是最常見、最普遍的儲氫方式，目前，高壓氣態(tài)儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶（I型）、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶（II型）、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III型）及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV型）4個類型，其中I型和II型由于氫氣密度低，氫脆問題嚴重，不能夠滿足車輛需求；III型和IV型通過內(nèi)膽（下圖①）、碳纖維強化樹脂層（下圖②）和玻璃纖維強化樹脂層（下圖③）組成，在儲氫密度和輕量化上，均有很大的改善，為目前主要使用的氫氣瓶。二、氫氣供給系統(tǒng)百度百科：氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。2.1氫氣瓶簡單介紹下III型和IV型氫氣瓶：III型為鋁制內(nèi)膽，外面包覆碳纖維，使用壓力主要有35MPa、70MPa兩種，目前我國主要使用此種氫氣瓶，且壓力主要為35MPa，70MPa雖已研制成功但沒有批量應(yīng)用；IV型氫氣瓶為塑料內(nèi)膽，高密度聚合物，使用壓力為70MPa，國外多家汽車公司已成功研制并應(yīng)用，其中豐田的Mirai汽車便采用IV型氫氣瓶。另外，現(xiàn)在還有V型無內(nèi)膽纖維纏繞的氫氣瓶，目前尚處于研發(fā)階段，此處不做介紹，感興趣的可自行查閱相關(guān)資料。當然，除了高壓氣態(tài)儲氫方式外，還有多種儲氫方式，比如低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、有機液體儲氫，但由于儲氫密度、成本、安全等多方面的限制，目前尚難大規(guī)模應(yīng)用，不過隨著技術(shù)的不斷提升，輕量化、高壓力、大容量的儲氫方式會不斷涌現(xiàn)！二、氫氣供給系統(tǒng)2.2過流閥過流閥也叫節(jié)流閥，是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥門。將節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)則可組合成單向節(jié)流閥。節(jié)流閥和單向節(jié)流閥是簡易的流量控制閥，在定量泵液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥和溢流閥配合，可組成三種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，即進油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、回油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。基本構(gòu)成如右圖所示二、氫氣供給系統(tǒng)2.3減壓閥通過調(diào)節(jié)，將進口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動保持穩(wěn)定的閥門。從流體力學的觀點看，減壓閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件，即通過改變節(jié)流面積，使流速及流體的動能改變，造成不同的壓力損失，從而達到減壓的目的。然后依靠控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使閥后壓力的波動與彈簧力相平衡，使閥后壓力在一定的誤差范圍內(nèi)保持恒定。二、氫氣供給系統(tǒng)2.3減壓閥由于燃料電池電堆對進入氣體壓力的穩(wěn)定性有較高要求，但在電堆變載變流量和儲氣壓力不斷下降的情況下，減壓閥閥后壓力較難控制，除了選擇高穩(wěn)定性的閥外，使用噴射器也是一個改善方向。噴射器是高頻電磁閥的一種，通過高速開斷并控制每次脈沖排放的流量從而控制流經(jīng)閥的總量，杜絕了儲氫壓力的影響，滿足變載需求，穩(wěn)定了進氣壓力二、氫氣供給系統(tǒng)2.4氫氣循環(huán)泵在燃料電池反應(yīng)堆中，輸入進的氫氣并不能完全參與反應(yīng)，未參與反應(yīng)的氫氣若直接排出，資源的浪費是一方面，更重要的是氫氣易燃易爆，直接排出有安全隱患！氫氣循環(huán)泵的作用，就是將未反應(yīng)充分的氫氣進行再循環(huán)使用。目前氫氣循環(huán)泵主要分為羅茨式（左圖）、爪式兩種結(jié)構(gòu)（右圖）。羅茨氫泵具備大流量、噪音高（108dB）的特點，適合物流、重卡等載貨汽車。爪式氫泵：流量約300-400L/min，其噪聲水平較低（75dB），適合載人的轎車、大巴車等汽車。二、氫氣供給系統(tǒng)2.4氫氣循環(huán)泵爪式氫氣循環(huán)泵有兩個朝相反方向旋轉(zhuǎn)的爪形轉(zhuǎn)子，爪形轉(zhuǎn)子吸入、壓縮、排出氣體，轉(zhuǎn)子不會相互接觸或與外殼接觸，轉(zhuǎn)子和腔室外殼之間的間隙極小，可保證內(nèi)部具有良好的密封性，也可保證一直維持較高的體積流量。工作原理如下圖所示：二、氫氣供給系統(tǒng)2.4氫氣循環(huán)泵另外，引射器也是氫氣循環(huán)的方案之一，引射器是一種利用射流使不同壓力的流體混合，來傳遞能力和質(zhì)量的裝置，相比于氫氣循環(huán)泵，引射器無移動部件、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，而且無寄生功率，最大優(yōu)勢在于節(jié)省能耗，并且引射器的體積能做到氫氣循環(huán)泵的三分之一，但實際成本還不到氫氣循環(huán)泵一半，其原理如下圖所示，當然，引射器還是存在一定問題，就是低功率負載下引射效果不佳，這也是國內(nèi)外都在積極探索以彌補此缺陷。二、氫氣供給系統(tǒng)2.5汽水分離器質(zhì)子交換膜燃料電池中，對陽極出來的混合水汽進行汽水分離并排出液態(tài)水的裝置稱為汽水分離器。許多液態(tài)水進入電堆內(nèi)會造成陽極水淹。另外陽極循環(huán)中累計的水也會加重氫循環(huán)泵/引射器的工作負荷，降低其性能甚至導(dǎo)致故障。因此，在燃料電池系統(tǒng)中使用汽水分離器是必要的。其工作原理是利用流體轉(zhuǎn)向過程時汽液的比重不同，液體下沉與氣體分離。在利用擋板時，通常用擋板使流體轉(zhuǎn)向；而在離心式式汽水分離器中，液體被高速氣流甩到容器壁上，這些液體失去動能后實現(xiàn)與氣體分離；還有的利用過濾或冷凝實現(xiàn)氣液分離。不同氣液分離原理的設(shè)計可以集成在一個氣液分離器中使用。二、氫氣供給系統(tǒng)2.5汽水分離器二、氫氣供給系統(tǒng)分類立式汽水分離器離心式汽水分離器擋板式汽水分離器凝聚式汽水分離器立式汽水分離器離心式汽水分離器擋板式汽水分離器凝聚式汽水分離器三、空氣供給系統(tǒng)空氣供給系統(tǒng)為電堆提供合適流量、溫度、壓力和濕度的潔凈空氣，主要包含空氣過濾器、空壓機、中冷器、增濕器和節(jié)氣門等幾個核心部件。3.1空壓機目前市面上用于燃料電池的空壓機類型有螺桿式、渦旋式、羅茨式和離心式等幾種，離心式還分為齒輪增速式和高速直驅(qū)式3.1空壓機三、空氣供給系統(tǒng)原理：通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內(nèi)，利用離心生壓和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。優(yōu)點：具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點；缺點：但離心式空壓機工作區(qū)域窄，在低流量高壓時會發(fā)生喘振，喘振嚴重影響壽命。離心式原理：轉(zhuǎn)子間的容腔不發(fā)生變化，壓力升高依靠把空氣擠壓到外部較小的容腔中，外部容腔中空氣密度不斷升高，從而產(chǎn)生壓力，是為“外壓縮”。優(yōu)點：工作范圍寬廣，適應(yīng)于全功率燃料電池發(fā)動機。羅茨式轉(zhuǎn)子采用擠壓生成，外壓縮對轉(zhuǎn)子精度及耐磨性要求不高，生產(chǎn)成本低；缺點：高溫熱脹冷縮容易卡殼，對泵殼機械強度要求高；由于采用滾珠軸承，需要加機油潤滑；高頻噪音很大。羅茨式3.1空壓機三、空氣供給系統(tǒng)原理：通過在螺桿之間形成壓縮腔，公母螺桿之間的容腔逐漸縮小，氣體家里逐漸升高，稱之為“內(nèi)壓縮”。優(yōu)點：容易形成很高壓縮比，功耗低；缺點：對空氣質(zhì)量要求較高，空氣中顆粒會磨損螺桿造成密封問題；對螺桿形狀和軸承精度要求高，采用滾珠軸承，需要加機油潤滑。噪聲大，需要針對性設(shè)計消音器。雙螺桿式原理：渦旋式空壓機由一個固定漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成的可壓縮容積壓縮機，由兩個雙函數(shù)方程型線的動、靜渦盤相互咬合而成。缺點：空間占用比較大，密封條磨損大，壽命短；在變工況使用的情況下，可靠性差。渦旋式3.1空壓機因四種類型的空壓機都存在各自的優(yōu)點和缺點，還沒有哪一種類型的空壓機，能夠完全符合車用氫燃料電池空壓機的要求。目前，市場上主流的車用氫燃料電池空壓機，主要有螺桿式、羅茨式和離心式。三、空氣供給系統(tǒng)前一代當前豐田渦旋式羅茨式本田螺桿式離心式現(xiàn)代離心式離心式戴姆勒螺桿式離心式通用螺桿式離心式上汽羅茨式離心式主要廠商空壓機使用情況3.2中冷器中冷器的作用主要是降低壓縮后的空氣溫度，使進入燃料電池發(fā)動機的空氣處在合理溫度范圍內(nèi)。主要分為空空中冷器（通過空氣冷卻高溫氣體）和水空中冷器（通過水冷卻高溫氣體），由于燃料電池發(fā)動機空間限制及對溫度的精度要求比較高，目前均采用水空中冷器。其產(chǎn)品式樣及系統(tǒng)原理如下圖所示：三、空氣供給系統(tǒng)3.3增濕器對于質(zhì)子交換膜燃料電池的運行而言，質(zhì)子交換膜的水傳導(dǎo)率是影響其性能的重要參數(shù)。如果反應(yīng)氣體過于干燥，會造成質(zhì)子交換膜中水分子過少，導(dǎo)致燃料電池工作效率下降，并可能造成交換膜損壞；而反應(yīng)氣體加濕過度，則會造成水堵導(dǎo)致電池系統(tǒng)性能惡化。燃料電池加濕方式分為內(nèi)加濕和外加濕兩種，內(nèi)加濕是指在電堆內(nèi)部通過改進電池的構(gòu)造或者改進膜電極的結(jié)構(gòu)使電堆實現(xiàn)加濕的方法；外加濕是指在反應(yīng)氣體進入到電池反應(yīng)前，通過電池外部附加裝置實現(xiàn)對燃料氣體增濕的技術(shù)。

外加濕方式由于其加濕量大而穩(wěn)定、易于操作的特點而被廣泛采用。外加濕方法包括鼓泡法加濕、液態(tài)水噴射加濕、膜加濕、中空纖維加濕、焓輪加濕和自增濕，其中膜加濕和焓輪加濕是如今應(yīng)用最多的加濕方式。三、空氣供給系統(tǒng)3.3增濕器從系統(tǒng)圖中也可以看出，其濕潤氣體的來源是反應(yīng)后的空氣，因燃料電池反應(yīng)會生成水，故反應(yīng)后的空氣帶有水汽。發(fā)展方向：自增濕技術(shù)無需從外界獲取水分，利用電化學反應(yīng)生成的水和燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使PEMFC內(nèi)部水分達到平衡狀態(tài)。一般的思路就是，一是在催化層加入親水物質(zhì)，保水材料；二是提高水的反滲。豐田mirai的電堆是自增濕，并且用交流阻抗法在線檢測燃料電池膜內(nèi)部水含量的實時狀態(tài)。三、空氣供給系統(tǒng)四、電堆電堆是燃料電池發(fā)動機的核心部件，是氫氣和氧氣發(fā)成化學反應(yīng)產(chǎn)生電能的場所。由雙極板和膜電極兩大部分組成，催化劑、質(zhì)子交換膜和碳布/碳紙構(gòu)成了膜電極。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應(yīng)陽極（負極）：2H2→4H++4e-陰極（正極）：O2+4H++4e-→2H2O四、電堆4.1雙極板雙極板是由極板和流場組成。主要作用是氣體分配、集流、導(dǎo)熱和密封。雙極板是電、熱的良導(dǎo)體,具有良好的機械性能，很好的阻氣性能,耐腐蝕性好等特點,其性能決定了燃料電池堆體積比功率和質(zhì)量比功率。雙極板材質(zhì)主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。四、電堆4.2膜電極質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學反應(yīng)的場所，是燃料電池技術(shù)的核心環(huán)節(jié)。膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的“芯片”，其成本占燃料電池電堆總成本60%以上。膜電極由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層構(gòu)成。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流。質(zhì)子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞也直接影響電池的使用壽命。四、電堆4.2膜電極氣體擴散層通常由碳紙或者碳布組成，主要起到傳質(zhì)，導(dǎo)電，傳熱，支持催化層，導(dǎo)水的作用。催化層是氫燃料電池反應(yīng)關(guān)鍵，是由催化劑和催化劑載體組合形成的薄層。催化劑主要采用Pt/C，Pt合金/C，載體材料主要是納米顆粒碳、碳納米管、碳須等。五、熱管理系統(tǒng)燃料電池發(fā)動機是通過電化學反應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，在能量轉(zhuǎn)換過程中，有熱量的產(chǎn)生，但燃料電池發(fā)動機的工作溫度較為苛刻，必須通過特定的方式將熱量散發(fā)掉。燃料電池發(fā)動機熱管理系統(tǒng)就是將電堆反應(yīng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移出去，是電堆維持在最適宜的溫度范圍內(nèi)。一個典型的熱管理系統(tǒng)主要包含：水泵、節(jié)溫器、去離子器、PTC、散熱模塊及管路等，當然，考慮到余熱回收的話，還有附屬的余熱回收系統(tǒng)5.1去離子器主要用于去除熱管理系統(tǒng)中冷卻液的導(dǎo)電離子。在燃料電池運行中，雙極板上會產(chǎn)生高電壓，但同時要求此高電壓不會通過雙極板中間的冷卻液傳遞到整個冷卻循環(huán)流道中，因此要求冷卻液不能夠?qū)щ?，處于較高的絕緣水平。另外，隨著系統(tǒng)運行時間的延長，各零部件電離子的析出也會增加冷卻液的電導(dǎo)率，