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车用燃料电池系统概述

2019/10/16 9:54:101526

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FC堆，并配置相应的辅助设备（BOP，Balance Of Plant），同时在FC控制单元的控制下，实现FC的正常运行，共同构成了FC系统。用作车辆动力源的FC系统，称为FC发动机。FC堆是FC发动机的核心，BOP维持电堆持续稳定安全地运行。FC发动机辅助系统主要包括空气压缩机、FC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FC发动机的典型结构如图所示。

FC堆是FC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。 BOP是FC系统中的重要部件，要求具有高效、低噪声、高紧凑度、高可靠性、高耐用性、低成本等特性。这些特性是FC系统当前和未来的研发活动中所必须考虑的因素。在BOP中，又以空压机和增湿器为主要部件。空压机是高压FC空气供应的关键部件。不同的FC系统匹配不同类型的空压机，目前可选的几种空压机类型包括：螺杆空压机、透平式空压机、活塞空压机、罗茨空压机、反馈空压机、卷轴空压机和叶片空压机。对于某一具体的FC系统，空压机的选择既要考虑空压机的性能指标，也要考虑FC系统的性能要求。空压机性能指标主要包括气体流量、轴功率、压缩比和效率等。目前应用于PEMFC系统的空气加湿通常是内部加湿和外部加湿。内部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，目前的发展趋势是气/气型加湿器，对于加湿器的选择原则是根据负载的要求能够实现快速的响应，保证FC工作在最佳工作区域。

加湿器的加湿原则 FC控制单元（FCU）用于监控FC系统，以使其在正常的条件下工作。图是FCU的结构图。

FC系统控制单元结构图图中FCU包括空压机控制模块、FC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FC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FC系统控制模块。FC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FC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FC系统高效运行，实现能量的最有利用。