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氢燃料电池电堆及氢气循环
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/9/29 18:33:44 阅读:67次 【字体:
 
氢燃料电池电堆及氢气循环
燃料电池、进气端板、浮动端板、盲端板、封装、集流板、铜排、密封件、防护、提供组装力、提供能源通道、电安全、氢安全、耐受振动冲击、氢气循环的作用、单级氢循环泵、单级引射器、双级引射器并联、引射器与氢循环泵串联、引射器与氢循环泵并联
 
燃料电池电堆是电堆核心零部件——膜电极和双极板。要想持久的发挥功能,需要众多安全卫士来保驾护航。电堆集成是电堆族群中最大的部落,零件种类约占电堆家族成员的80%。他们分别是进气端板、浮动端板、盲端板、封装、集流板、铜排、密封件等等。提高燃料电池的反应效率,减少燃料电池在加速工况的反应时间,燃料电池运行时氢燃料的供应量必须大于反应消耗量。如果没有阳极循环,则会导致氢气的浪费,降低氢气利用率。因此,非常有必要采用阳极循环来提高氢气利用率。
 
 
 
燃料电池电堆
是电堆核心零部件——膜电极和双极板。要想持久的发挥功能,需要众多安全卫士来保驾护航。
 
电堆集成是电堆族群中最大的部落,他们分别是进气端板、浮动端板、盲端板、封装、集流板、铜排、密封件等等。还有热量控制,电源控制,水分控制,氢气控制,功率控制等辅助系统。
一般来说,电堆集成这位安全卫士肩负的责任:防护、提供组装力、提供能源通道、电安全、氢安全、耐受振动冲击。
 
防护
 
1电堆整体防护等级--IP67:
电堆集成的封装、端板等可确保电堆在1m深水下30min内阻挡水的侵入;
防护灰尘吸入:细小尘埃无法进入电堆封装壳体内部;
防护短暂浸泡:常温常压下,当电堆暂时浸泡在1m深的水里将不会对电堆造成有害影响。
 
2电磁兼容性(EMC):
电磁兼容性涉及到对人身和环境保护,要做到电堆既不干扰其它设备,同时对其它设备干扰具有完全的防护能力。
 
3盐雾试验:
电堆外部披上金钟罩、内部穿上铁布衫,阻止任何酸、碱等腐蚀物质的侵袭。
 
提供组装力
双极板与膜电极间为实现密封需要大的组装力;另一方面,电芯活性区为实现最大电性能需要大的组装力。
 
1弹性系数要小:相同组装力条件下、承受组装力弹簧的弹性系数K越小受环境因素影响力的变化越小。
 
2减少环境因素影响:尽量减少环境因素对电堆贮存和运行状态的影响。
 
3材料:选取合适的弹簧和密封件等零件材料,最大限度减小耐久对电堆组装力的影响。
 
氢燃料电池以高效、环保著称。关键在于高效的“氢气”循环系统。
氢燃料电池“氢气”循环的作用
 
提高燃料电池的反应效率,减少燃料电池在加速工况的反应时间,燃料电池运行时氢燃料的供应量必须大于反应消耗量。如果没有阳极循环,则会导致氢气的浪费,降低氢气利用率。因此,非常有必要采用阳极循环来提高氢气利用率。
 
 
氢燃料电池“氢气”循环方案
目前燃料电池系统主要的阳极循环方案有:单级氢循环泵、单级引射器、双级引射器并联、引射器与氢循环泵串联、引射器与氢循环泵并联等。当前国内外各大燃料电池系统制造商采用的阳极循环方案也不尽相同。
 
01单级氢循环泵方案
从2002年的第一代涡旋式氢循环泵,到2008年面向FCHV-adv的第二代罗茨式氢循环泵,到2014年面向MIRAI一代的第三代罗茨式氢循环泵,再到2020年面向MIRAI二代的第四代罗茨式氢循环泵,丰田氢循环泵技术不断升级,在体积、重量、NVH以及效率方面均得到了大幅提高。
氢循环泵的主要优势在于主动可调节、快速响应和较宽的工作区间,但是其降噪、密封、低温破冰、需要消耗电能以及成本等问题,让许多燃料电池系统制造商选择采用引射器的技术路线。
 
 
02单级引射器方案
引射器是一种基于文丘里效应,利用高速喷射的工作流体造成的压差,将引射流体吸入再排出的纯机械部件,相比氢循环泵,引射器结构简单、噪声低、可靠性高并且无寄生功率。
 
虽然单级引射器在低功率时几乎无引射效果,但是NEXO燃料电池系统采用的是阴极外增湿方案,其对阳极循环增湿需求较低,阳极循环流量较小。同时,现代汽车基于单级引射器方案开发了阳极氢浓度估算器和吹扫控制器,来精确控制NEXO燃料电池系统阳极子系统中的氢气浓度。
 
最新一代的本田Clarity燃料电池阳极循环方案也采用单级引射器,区别在于其采用的是喷射器旁通引射器方案,即双喷射器并联来精确控制压力和流量。与上一代的双级可变喷嘴引射器方案相比,现方案在成本、可靠性、体积、重量等方面明显提升。
 
03单级引射器+氢循环泵串联方案
 
典型的引射器+氢循环泵串联方案阳极循环模块,模块包括氢喷射器、引射器、氢循环泵、分水器、排氢/排水阀等,其通过氢循环泵串联来提高引射器的循环路入口压力,增加引射量,从而满足大功率电堆的循环流量和升压要求。
其优点在于体积小、集成度高,但其缺点在于全工况运行范围内,氢循环泵都需要运转、耗能,同时系统布置不太灵活。
04单级引射器+氢循环泵并联方案
 
目前引射器+氢循环泵并联方案也是超大功率燃料电池系统的主流方向。其中,单级引射器可覆盖50%以上工况(中、高功率)点,低功率段通过氢循环泵补充。此方案较单氢循环泵方案,阳极循环功耗减小60%,系统效率提升约1.0%。同时氢循环泵也可向小型化开发,预计体积将缩小近一半。需要提醒的是,在低温环境下,大功率运行时引射器内部容易产生冷凝水,会影响电堆一致性和寿命,需在引射器设计时综合考虑水热管理策略,尽量避免冷凝水的产生,为电堆创造舒适的运行环境。
 
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