氫能及燃料電池科普：氫燃料電池發動機

 

燃料電池發動機是一種通過電化學反應直接將氫氣和氧氣轉化為電能的發電裝置。該工藝不涉及燃燒，無機械損耗，能量轉換率高，產品只有電、熱、水，運行穩定，噪音低。被稱為“環保發動機”。

 

 

氫燃料電池發動機由電堆、氫氣循環系統、空氣供應系統、水熱管理系統、電控系統和數據采集系統六大部分組成。

 

（1）電堆

 

作為氫燃料電池發動機的核心部件，電堆是氫氣和氧氣發生化學反應發電的地方。電堆由雙極板和膜電極組成，催化劑、質子交換膜和碳布/碳紙構成膜電極。

 

（2）氫氣循環系統

 

氫氣循環系統由減壓閥、電磁閥、回氫泵、氫氣濃度傳感器和管路組成。來自氣瓶的高壓氫氣通過減壓閥降低氫氣壓力，由電磁閥控制氫氣進入電堆。氫回流泵回收堆反應后的剩余氫，重新注入電堆中，提高氫氣利用率。

 

（3）空氣供應系統

 

空氣供應系統主要由以下幾部分組成：空氣過濾器、空氣壓縮機/鼓風機、中冷器、空氣加濕器。

 

（4）水熱管理系統

 

水熱管理系統由水泵和水溫傳感器兩大部分組成，類似于傳統內燃機的小循環散熱系統。氫燃料電池發動機冷卻液是由去離子水和乙二醇水溶液按一定比例配制而成的溶液。

 

（5）電控系統

 

氫燃料電池發動機電子控制系統主要由發動機控制器（FCU）和各種傳感器組成。

 

（6）數據采集系統

 

數據采集系統主要是指數據采集器。通過數據采集系統，可以隨時監控氫燃料電池發動機運行的各種參數和狀態，如發動機位置、運行狀態、各種傳感器參數等，對各種參數進行數據分析和處理，并對異常參數實時報警、記錄。

 

02氫燃料電池發電效率

 

系統發電效率=可逆熱力學效率（94.53%，25℃）×電化學效率×燃料利用率×系統部件效率（除去各子系統部件損耗）：

 

（1）可逆熱力學效率

 

代表燃料分子和氧氣分子完全反應產生的能量，用來作功的最大值（需考慮熱力學第二定律的約束）。

 

 

電化學反應發電本質上是基于氧化還原反應的電荷轉移，氣態水變液態水的過程沒有什么貢獻，因此，氫氣發電要用低熱值。根據熱力學第二定律：不可能制成一種循環動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變為功而不引起其它變化（開爾文表述），即不可能把1公斤氫氣和氧氣燃燒放出來的熱量全都用來作功（變成電能）而不引起變化。這個變化，正是以“熵”為特征的熱。因此，任何裝置使用化學能（燃料）發電作工，都有一個天然的極限轉換效率。對于燃料電池來說，即可逆熱力學發電效率，就是燃料電池能達到的最高理論發電效率。

 

 

常溫（25℃）下，理論上1kg氫氣可以發500mol*241.8/3600kJ=33.58度電；按照目前燃料電池系統額定工況發電的最高額定效率算（60%，已包含可逆熱力學效率），實際上1kg氫氣可以發500mol*241.8/3600*60%=20.15度電。

 

（2）電化學效率：電化學反應過程中是存在損耗的，主要來源于反應過程中的極化現象，包含歐姆極化，電化學活化極化和氣體擴散極化（濃差極化）。電化學效率是衡量燃料電池電堆技術水平的關鍵。

 

（3）燃料利用率：燃料參與反應的比例。有的燃料電池可以通過循環泵，把流過電堆但沒有參與反應的燃料再次循環利用，所以利用率就會很高，但也會有損失；有的燃料電池把沒有參與反應的燃料給燒掉，以熱能形式輸出，此時燃料利用率就只能算參與反應的比例。

 

（4）系統部件效率：水管理、熱管理、氣體（氫氣、空氣）供應、控制-電管理等子系統部件需要消耗一定的能量（電或熱）。

 

如果采用熱電聯供，還需要加上熱利用效率，即:

 

系統綜合效率=系統發電效率+熱利用效率

 

熱利用效率：被利用的熱能/輸入燃料的能量。需要注意：必須是對外輸出、產生熱效益的部分才算“被利用的熱能”。比如常見的高溫燃料電池——固體氧化物燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）——工作溫度高達600——1000℃，排出的氣體都會有高品位余熱，可用于家庭、商業場所、公共單位的熱水供應、冷鏈、生鮮超市、數據中心的高溫蒸汽聯合制冷機制冷。

 

熱電聯供往往是高溫燃料電池才有的技能，常見的低溫燃料電池，如質子交換膜燃料電池（PEMFC）和堿性燃料電池（AFC），相對來說，回收熱能十分有限。

 

03氫燃料電池系統幾大性能指標

 

（1）質量功率密度與體積功率密度

 

指單位質量或體積下電堆或者系統的輸出功率，是目前燃料電池領域產品性能先進性和系統集成度的重要衡量指標之一，該指標相比額定與峰值功率更能反映燃料電池及系統的集成能力以及在整車布置環境中的實際效用。高的質量功率密度有利于提高整車的有效載荷和降低燃料消耗，代表系統及其零件的集成度越高，也代表零件布置得越緊湊；同時該參數越高也代表在同等質量條件下系統能輸出更高的功率。高的體積功率密度有利于電堆或者系統在整車上的布置，特別是對于布置空間相對受限的乘用車。

 

（2）電極功率密度

 

指電堆中每節單電池單位活性面積的發電功率，單位為W/cm2，這項指標是衡量電堆在一定效率下發電能力的關鍵指標，取決于膜電極、雙極板各自性能水平，也取決于膜電極和雙極板的匹配集成水平，是電堆性能水平的關鍵指標。

 

（3）額定功率

 

指該電堆或系統可以連續穩定長時間運行的最大功率，是測量燃料電池電堆或系統做功能力的重要指標。

 

（4）系統低溫啟動能力

 

指燃料電池汽車在低溫寒冷環境下能夠滿足快速啟動的能力。

 

（5）動態性能驗證

 

車輛實際運行過程中，隨著路況變化（怠速，加速，減速和勻速），燃料電池堆輸出功率會隨著載荷變化。壽命和耐久性一般通過時間參數來表征，一般是20000h。

 

為何工況會影響燃料電池壽命？工況會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。開路，低載荷怠速工況，該工況會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。過載工況，會引起缺水和水淹造成燃料電池衰減。啟停工況，環境空氣的侵入會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。