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燃料电池系统
我国燃料电池基础设施建设进入加速期,为燃料电池汽车商业化做好充分准备。加氢基础设施是燃料电池发展的重要保障,氢气的低成本输运也是需要重点攻克的难题,适合燃料电池汽车的高纯度氢气来源也是重要问题。
此前的系列科普中,已经介绍了氢气的制取、储运问题。在本文中,将会为大家介绍燃料电池系统的问题,包括其组成、发展状况以及目前主流的燃料电池系统的简介。
思考的问题:
燃料电池系统是由哪些部分组成的?关键部件与技术是什么?
目前国内主流的燃料电池系统供应商情况如何?
重要结论
燃料电池系统的关键部件包括电堆、氢气循环系统、加湿器以及空气压缩机,关键技术包括水热管理技术、低温冷起动、系统的控制技术等。目前在国际上,包括日本、美国、德国,燃料电池的技术已经成熟,下一个阶段,燃料电池的技术主要是集中在降低成本产业化的阶段。国内企业主要依赖国外公司的现有技术并进行深入研究,主要公司有大连新源动力和大洋电机两家公司。
1、燃料电池系统简介
燃料电池系统是燃料电池汽车最基本的、最核心的部分。燃料电池汽车与动力电池汽车最大的不同是利用了氢氧反应生电。燃料电池系统是主要由电堆、燃料处理器、功率调节器、空气压缩机组成。每一个系统组成部件都有其特有的关键技术,其中电堆技术最为关键。
燃料电池堆。为了满足一定的输出功率和输出电压的需求,通常将燃料电池(FC)单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆,并配置相应的辅助设备(BOP,BalanceOfPlant),同时在燃料电池控制单元的控制下,实现燃料电池的正常运行,共同构成了燃料电池系统。用作车辆动力源的燃料电池系统,称为燃料电池发动机。燃料电池堆是燃料电池发动机的核心,BOP维持电堆持续稳定安全地运行。燃料电池发动机辅助系统主要包括空气压缩机、燃料电池用加湿器、氢气循环泵、压力调节器和系统控制单元。以氢为燃料的燃料电池发动机的典型结构如图所示。
燃料电池堆是燃料电池系统的主要元件,包括电极、质子交换膜(PEM)、双极板、气体扩散层(GDL)、端板等部件。其中,电极、PEM和GDL集成在一起成为膜电极(MEA),它是堆的主要部件。电极是PEM和GDL之间具有电传导性的一层加压薄层,也是电化学反应发生的地方。PEM是阴极催化层和阳极催化层之间的一层薄膜,是氢质子传导的介质,PEM的性能直接影响整个电堆的性能。双极板用于支撑膜电极,并收集单电池电流。所有的单电池通过双极板串联在一起,提供满足车用动力需求的电功率。
燃料电池系统控制技术。燃料电池的耐久性是燃料电池汽车问题的关键所在,而耐久性,很大一部分在于控制系统的问题。经过大量的研究表明,影响燃料电池寿命的关键因素有:动态工况、起动、连续怠速等,这些因素都是通过由系统控制所最终决定的。因此,燃料电池系统控制技术成为燃料电池最为关键的技术之一。
图中燃料电池控制单元包括空压机控制模块、燃料电池系统控制模块以及电池电压监控模块。其中空压机控制箱接收燃料电池控制模块发送的控制信号,同时把反馈信号(如空压机的转速等)发给燃料电池系统控制模块。燃料电池系统控制模块主要根据接受的各种信号,来确定合适的控制参数,并通过CAN总线与车辆管理系统通讯。电池电压监控模块用于监控单池电压,当电压过低时向燃料电池控制模块发送警告信号。通过辅助系统和控制系统的综合作用实现燃料电池系统高效运行,实现能量的最有利用。
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