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汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究( 三 )


汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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在电堆层面 ， 采用内部循环系统 ， 无需加湿器 ， 利用电池内产生的水蒸气自我加湿 ， 保持电解质膜的质子传导性能 。 具体效果主要有3点:
(1)阳极采用增加氢气循环量 ， 以及形成空气/氢气逆向流动的措施 ， 增加了从上游到下游的水蒸气供应 ， 对入口处干燥空气进行加湿;
(2)采用更薄的电解液膜 ， 促进阴极侧反应产物水的反扩散;
(3)冷却液保持较低的温度 ， 抑制交换膜上水分的蒸发 。
2.3本田
汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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Clarity(参数|图片)燃料电池系统设计
图7(a)展示了本田Clarity中氢气系统和空气系统的配置 。 氢气系统主要分为高压氢系统和低压氢系统 。 高压氢气系统由加注口、氢气瓶、截止阀、调节阀组成 。 使用时加注口与氢气站相连 ， 在加注氢气和燃料电池堆运行时主截止阀控制氢气进出 。 向燃料电池堆输送氢气时 ， 调节阀用来将高压氢罐中的高压(最高可达87.5MPa)氢气调节至适当的压力范围 。 低压氢气系统由引射器、喷射器、吹扫阀、排水阀组成 。 喷射器主要用来精确控制电堆入口侧氢气的压力和流量 。 引射器用来控制流速 ， 在电堆出口循环多余的氢气 。 燃料电池堆电化学反应过程中 ， 阳极侧会产生大量的液态水 ， 排水阀和吹扫阀主要用来将阳极侧残余水和杂质及时高效排出 。
空气系统由空气泵、阴极截止阀、旁通阀、加湿器、旁通阀、压力调节阀和阴极截止阀组成 。 阴极截止阀主要用来调节从空气泵进入的阴极侧进堆空气压力 。 旁通阀和加湿器一起 ， 通过高精度湿度反馈控制来调节空气湿度 ， 优化电堆水管理能力 。 压力调节阀主要用来控制从气泵供应的空气压力 。 电堆入口/出口处安装有一个电堆旁通阀 ， 该阀和阴极截止阀同时关断后将空气密封在电堆中 。
图7(b)为热管理系统原理图 ， 包括燃料电池堆和电堆冷却装置 ， 电堆冷却装置由冷却液泵、加热器、节温阀(三通阀)、离子交换器和散热器组成 。 冷却系统的主要作用是将电堆内产生的热量通过散热器散掉 。 电堆冷却装置各部件功能为:冷却液泵对冷却液增压并向电堆输送冷却液;冷却液通过双极板和冷却流道与燃料电池中产生的热量进行换热;散热器向外部环境散热;节温阀通过设置冷却液是否流经散热器 ， 实现大小循环散热(低温时与加热器循环快速暖机、高温时与散热器循环快速冷却);离子交换器通过去除冷却液中的离子来降低冷却液电导率 ， 保证车辆电安全和防止电堆腐蚀;加热器回路通过冷却液回收电堆产热 。
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2.4现代NEXO燃料电池系统设计
NEXO燃料电池系统由空气供给系统、氢气供给系统和热管理系统组成 ， 如图8所示 。 空气供给系统的主要零部件有滤清器、空压机、加湿器、空气截止阀和背压阀等;氢气供给系统的主要零部件有氢气截止阀、氢气供给阀、引射器、吹扫阀、脱水器和排水阀等;热管理系统的主要零部件有散热器(风扇)、四向阀、PTC加热器、水泵、COD加热器和双向阀等 。 其中空气供给系统、氢气供给系统布置与零部件组成与国际主流形式基本一致 。 区别在于NEXO使用了双向阀和四向阀 ， 同时使用PTC(正温度系数)热敏电阻和COD加热器快速制热 ， 提高了电堆制冷剂温度控制的响应性 ， 因此具有较好的低温冷启动能力 。
汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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3、结论
经过几十年的发展 ， 车载的燃料电池系统方案不断优化升级 ， 各企业在其原有车型的基础上不断改进 ， 形成了各具特色的设计方案 。 文中通过对福特、本田、丰田、现代等公司典型燃料电池车型的解析 ， 总结出燃料电池汽车的燃料电池系统设计要点如下:


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