燃料电池发动机系统-零部件篇

氢燃料电池发动机系统零部件篇一、氢燃料电池发动机系统简介二、氢气供给系统

2.1氢气瓶

2.2过流阀

2.3减压阀

2.4氢气循环泵

2.5

汽水分离器三、

空气供给系统

3.1空压机

3.2

中冷器

3.3

增湿器四、

电堆4.1

双极板4.2

膜电极五、热管理系统5.1

去离子器

5.2

散热模块

一、氢燃料电池发动机系统简介182系统构成（如左图所示）：氢气供给系统（绿色方框）空气供给系统（蓝色方框）反应电堆（紫色圆框）热管理系统（橙色方框）电控系统（本次不做介绍）数据采集系统（本次不做介绍）释义：氢燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，而将其应用于汽车领域代替传统燃油发动机后，又被成为氢燃料电池发动机。氢气供给系统是实现氢气存储，向电堆提供合适压力、流量和湿度的氢气以满足车辆行驶的所有零部件的构成，主要包括氢气瓶、瓶口阀、过流阀、过滤器、减压阀、截止阀、汽水分离器、氢气循环泵及管路和接头组成。2.1氢气瓶车载储氢中，高压气态储氢是最常见、最普遍的储氢方式，目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶（I型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）4个类型，其中I型和II型由于氢气密度低，氢脆问题严重，不能够满足车辆需求；III型和IV型通过内胆（下图①）、碳纤维强化树脂层（下图②）和玻璃纤维强化树脂层（下图③）组成，在储氢密度和轻量化上，均有很大的改善，为目前主要使用的氢气瓶。二、氢气供给系统百度百科：氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。2.1氢气瓶简单介绍下III型和IV型氢气瓶：III型为铝制内胆，外面包覆碳纤维，使用压力主要有35MPa、70MPa两种，目前我国主要使用此种氢气瓶，且压力主要为35MPa，70MPa虽已研制成功但没有批量应用；IV型氢气瓶为塑料内胆，高密度聚合物，使用压力为70MPa，国外多家汽车公司已成功研制并应用，其中丰田的Mirai汽车便采用IV型氢气瓶。另外，现在还有V型无内胆纤维缠绕的氢气瓶，目前尚处于研发阶段，此处不做介绍，感兴趣的可自行查阅相关资料。当然，除了高压气态储氢方式外，还有多种储氢方式，比如低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机液体储氢，但由于储氢密度、成本、安全等多方面的限制，目前尚难大规模应用，不过随着技术的不断提升，轻量化、高压力、大容量的储氢方式会不断涌现！二、氢气供给系统2.2过流阀过流阀也叫节流阀，是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。基本构成如右图所示二、氢气供给系统2.3减压阀通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。二、氢气供给系统2.3减压阀由于燃料电池电堆对进入气体压力的稳定性有较高要求，但在电堆变载变流量和储气压力不断下降的情况下，减压阀阀后压力较难控制，除了选择高稳定性的阀外，使用喷射器也是一个改善方向。喷射器是高频电磁阀的一种，通过高速开断并控制每次脉冲排放的流量从而控制流经阀的总量，杜绝了储氢压力的影响，满足变载需求，稳定了进气压力二、氢气供给系统2.4氢气循环泵在燃料电池反应堆中，输入进的氢气并不能完全参与反应，未参与反应的氢气若直接排出，资源的浪费是一方面，更重要的是氢气易燃易爆，直接排出有安全隐患！氢气循环泵的作用，就是将未反应充分的氢气进行再循环使用。目前氢气循环泵主要分为罗茨式（左图）、爪式两种结构（右图）。罗茨氢泵具备大流量、噪音高（108dB）的特点，适合物流、重卡等载货汽车。爪式氢泵：流量约300-400L/min，其噪声水平较低（75dB），适合载人的轿车、大巴车等汽车。二、氢气供给系统2.4氢气循环泵爪式氢气循环泵有两个朝相反方向旋转的爪形转子，爪形转子吸入、压缩、排出气体，转子不会相互接触或与外壳接触，转子和腔室外壳之间的间隙极小，可保证内部具有良好的密封性，也可保证一直维持较高的体积流量。工作原理如下图所示：二、氢气供给系统2.4氢气循环泵另外，引射器也是氢气循环的方案之一，引射器是一种利用射流使不同压力的流体混合，来传递能力和质量的装置，相比于氢气循环泵，引射器无移动部件、结构简单、运行可靠，而且无寄生功率，最大优势在于节省能耗，并且引射器的体积能做到氢气循环泵的三分之一，但实际成本还不到氢气循环泵一半，其原理如下图所示，当然，引射器还是存在一定问题，就是低功率负载下引射效果不佳，这也是国内外都在积极探索以弥补此缺陷。二、氢气供给系统2.5汽水分离器质子交换膜燃料电池中，对阳极出来的混合水汽进行汽水分离并排出液态水的装置称为汽水分离器。许多液态水进入电堆内会造成阳极水淹。另外阳极循环中累计的水也会加重氢循环泵/引射器的工作负荷，降低其性能甚至导致故障。因此，在燃料电池系统中使用汽水分离器是必要的。其工作原理是利用流体转向过程时汽液的比重不同，液体下沉与气体分离。在利用挡板时，通常用挡板使流体转向；而在离心式式汽水分离器中，液体被高速气流甩到容器壁上，这些液体失去动能后实现与气体分离；还有的利用过滤或冷凝实现气液分离。不同气液分离原理的设计可以集成在一个气液分离器中使用。二、氢气供给系统2.5汽水分离器二、氢气供给系统分类立式汽水分离器离心式汽水分离器挡板式汽水分离器凝聚式汽水分离器立式汽水分离器离心式汽水分离器挡板式汽水分离器凝聚式汽水分离器三、空气供给系统空气供给系统为电堆提供合适流量、温度、压力和湿度的洁净空气，主要包含空气过滤器、空压机、中冷器、增湿器和节气门等几个核心部件。3.1空压机目前市面上用于燃料电池的空压机类型有螺杆式、涡旋式、罗茨式和离心式等几种，离心式还分为齿轮增速式和高速直驱式3.1空压机三、空气供给系统原理：通过旋转叶轮对气体做功，在叶轮与扩压器流道内，利用离心生压和降速扩压作用，将机械能转化为气体内能。优点：具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点；缺点：但离心式空压机工作区域窄，在低流量高压时会发生喘振，喘振严重影响寿命。离心式原理：转子间的容腔不发生变化，压力升高依靠把空气挤压到外部较小的容腔中，外部容腔中空气密度不断升高，从而产生压力，是为“外压缩”。优点：工作范围宽广，适应于全功率燃料电池发动机。罗茨式转子采用挤压生成，外压缩对转子精度及耐磨性要求不高，生产成本低；缺点：高温热胀冷缩容易卡壳，对泵壳机械强度要求高；由于采用滚珠轴承，需要加机油润滑；高频噪音很大。罗茨式3.1空压机三、空气供给系统原理：通过在螺杆之间形成压缩腔，公母螺杆之间的容腔逐渐缩小，气体家里逐渐升高，称之为“内压缩”。优点：容易形成很高压缩比，功耗低；缺点：对空气质量要求较高，空气中颗粒会磨损螺杆造成密封问题；对螺杆形状和轴承精度要求高，采用滚珠轴承，需要加机油润滑。噪声大，需要针对性设计消音器。双螺杆式原理：涡旋式空压机由一个固定渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成的可压缩容积压缩机，由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成。缺点：空间占用比较大，密封条磨损大，寿命短；在变工况使用的情况下，可靠性差。涡旋式3.1空压机因四种类型的空压机都存在各自的优点和缺点，还没有哪一种类型的空压机，能够完全符合车用氢燃料电池空压机的要求。目前，市场上主流的车用氢燃料电池空压机，主要有螺杆式、罗茨式和离心式。三、空气供给系统前一代当前丰田涡旋式罗茨式本田螺杆式离心式现代离心式离心式戴姆勒螺杆式离心式通用螺杆式离心式上汽罗茨式离心式主要厂商空压机使用情况3.2中冷器中冷器的作用主要是降低压缩后的空气温度，使进入燃料电池发动机的空气处在合理温度范围内。主要分为空空中冷器（通过空气冷却高温气体）和水空中冷器（通过水冷却高温气体），由于燃料电池发动机空间限制及对温度的精度要求比较高，目前均采用水空中冷器。其产品式样及系统原理如下图所示：三、空气供给系统3.3增湿器对于质子交换膜燃料电池的运行而言，质子交换膜的水传导率是影响其性能的重要参数。如果反应气体过于干燥，会造成质子交换膜中水分子过少，导致燃料电池工作效率下降，并可能造成交换膜损坏；而反应气体加湿过度，则会造成水堵导致电池系统性能恶化。燃料电池加湿方式分为内加湿和外加湿两种，内加湿是指在电堆内部通过改进电池的构造或者改进膜电极的结构使电堆实现加湿的方法；外加湿是指在反应气体进入到电池反应前，通过电池外部附加装置实现对燃料气体增湿的技术。

外加湿方式由于其加湿量大而稳定、易于操作的特点而被广泛采用。外加湿方法包括鼓泡法加湿、液态水喷射加湿、膜加湿、中空纤维加湿、焓轮加湿和自增湿，其中膜加湿和焓轮加湿是如今应用最多的加湿方式。三、空气供给系统3.3增湿器从系统图中也可以看出，其湿润气体的来源是反应后的空气，因燃料电池反应会生成水，故反应后的空气带有水汽。发展方向：自增湿技术无需从外界获取水分，利用电化学反应生成的水和燃料电池的内部结构，使PEMFC内部水分达到平衡状态。一般的思路就是，一是在催化层加入亲水物质，保水材料；二是提高水的反渗。丰田mirai的电堆是自增湿，并且用交流阻抗法在线检测燃料电池膜内部水含量的实时状态。三、空气供给系统四、电堆电堆是燃料电池发动机的核心部件，是氢气和氧气发成化学反应产生电能的场所。由双极板和膜电极两大部分组成，催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸构成了膜电极。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应阳极（负极）：2H2→4H++4e-阴极（正极）：O2+4H++4e-→2H2O四、电堆4.1双极板双极板是由极板和流场组成。主要作用是气体分配、集流、导热和密封。双极板是电、热的良导体,具有良好的机械性能，很好的阻气性能,耐腐蚀性好等特点,其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率。双极板材质主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。四、电堆4.2膜电极质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是燃料电池技术的核心环节。膜电极是质子交换膜燃料电池的“芯片”，其成本占燃料电池电堆总成本60%以上。膜电极由质子交换膜、催化剂、气体扩散层构成。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。四、电堆4.2膜电极气体扩散层通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。催化层是氢燃料电池反应关键，是由催化剂和催化剂载体组合形成的薄层。催化剂主要采用Pt/C，Pt合金/C，载体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。五、热管理系统燃料电池发动机是通过电化学反应实现能量的转换，在能量转换过程中，有热量的产生，但燃料电池发动机的工作温度较为苛刻，必须通过特定的方式将热量散发掉。燃料电池发动机热管理系统就是将电堆反应产生的热量转移出去，是电堆维持在最适宜的温度范围内。一个典型的热管理系统主要包含：水泵、节温器、去离子器、PTC、散热模块及管路等，当然，考虑到余热回收的话，还有附属的余热回收系统5.1去离子器主要用于去除热管理系统中冷却液的导电离子。在燃料电池运行中，双极板上会产生高电压，但同时要求此高电压不会通过双极板中间的冷却液传递到整个冷却循环流道中，因此要求冷却液不能够导电，处于较高的绝缘水平。另外，随着系统运行时间的延长，各零部件电离子的析出也会增加冷却液的电导率，