汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究( 二 )
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去离子水系统主要由水分离器、去离子水箱、水泵组成 。 从阴极排气气流中的水被水气分离器抽走后 ， 收集到去离子化水箱中 。 为了获得良好的加湿性能 ， 热管理系统使用了一个带有去离子水箱的闭合冷却回路 。 该系统由水泵、热交换器、去离子水箱和两个加湿器组成 。 去离子水通过水泵进入燃料电池堆 ， 出堆的冷却水先进入热交换器散热 ， 再经过二次冷却回路冷却 。 这个二次冷却回路由另一个水泵循环 ， 通过散热器带走电堆余热 。 氢气和空气加湿器均位于去离子水环路的回流路径上 ， 利用回路中温度较高的水 ， 提高了加湿器的性能 。
2.2丰田
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Mirai(参数|图片)燃料电池系统设计
丰田Mirai中燃料电池系统由氢气系统、空气系统、冷却系统3个子系统组成 。 与丰田2008款
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FCHV-adv(参数|图片)车型相比 ， 最显著的变化是系统的简化 ， 去掉了外部加湿器 ， 并整合了阀门的功能 ， 如图4所示 。
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Mirai的氢气系统主要由氢气调节阀、3个氢气引射器、氢气循环泵和吹扫阀组成 。 各部分主要作用为:氢气调节阀将氢罐压力从70MPa降到1MPa ， 以满足燃料电池堆内压力要求 。 在氢再循环回路的上游 ， 采用3个氢气引射器用于控制进堆氢气的压力和流量 。 由于丰田Mirai首次采用了无外部加湿器的设计 ， 作为替代 ， 丰田开发了高效的氢气循环泵 ， 可以将电堆阳极出口处没有参与内部电化学反应的氢气再次循环至电堆 ， 提高燃料利用率并优化了水管理 。 吹扫阀用来去除燃料电池阳极通道中液态水和氮气 。
空气系统主要由空气过滤器、压缩机、中冷器、空气阀、空气截止阀和消声器组成 。 空气通过空气过滤器滤除空气中灰尘、砂粒后进入压缩机 。 压缩机采用六叶螺旋罗茨式空压机 ， 作用是将空气源源不断地输送到电堆入口并增压 。 中冷器用于降低增压后的高温空气温度 ， 以降低电堆热负荷 ， 提高进气量 。 空气阀控制气体进入电堆 ， 根据加速踏板控制阀门开度并调节气体分流情况 ， 改变发电量 。 不发电时 ， 则关闭阀门 。 空气截止阀用来调节电堆出口侧空气压力 。 出口处消声器通过降低微振动效应 ， 降低高压气流的排放噪声 。
热管理系统主要由水控阀、冷却液泵、去离子装置、冷却风扇、主副散热器组成 。 其中电动水泵和水控阀是电堆温度控制的核心部件 。 电动水泵根据电堆进出口冷却液温差控制冷却液供应至燃料电池堆 ， 电堆下游的冷却水控阀通过控制主副散热器侧之间的流量 ， 改变流经主散热器和副散热器的冷却水比例 ， 进而控制冷却液温度使燃料电池堆在70～80℃附近温度高效率发电 。 冷却风扇的作用是增大流经散热器的空气流速 。 去离子装置的作用是去除冷却系统中冷却液中融解的离子 ， 降低冷却液电导率 ， 保持电堆与其他部件电隔离 。
在燃料电池系统中 ， 必须控制电解液膜的湿度 ， 以保证足够的质子电导率 ， 稳定发电 。 这一功能通常由外部加湿器实现 。 然而 ， 外部加湿器会增加空气系统的压力损失 ， 这会增加系统的负荷并需要额外的零件 ， 从而增加了系统的复杂性 ， 不利于系统集成化、小型化 。 为此 ， 丰田开发了一种无外部加湿器的新型燃料电池系统 ， 除了文中提到了新型高效的氢气循环泵 ， 电堆结构也需要作出创新性的改变 ， 如图5、图6所示 。
在电芯层面 ， 阴极采用了3D立体精细微流道技术 ， 反应产生的水能够通过亲水性的三维细网格流场快速抽出 ， 防止积聚的水阻碍空气(氧气)的流动 。 同时通过改变肋槽通道宽度 ， 产生湍流 ， 促进氧气向催化剂层扩散 。
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