氢能及燃料电池科普：氢燃料电池发动机

 

燃料电池发动机是一种通过电化学反应直接将氢气和氧气转化为电能的发电装置。该工艺不涉及燃烧，无机械损耗，能量转换率高，产品只有电、热、水，运行稳定，噪音低。被称为“环保发动机”。

 

 

氢燃料电池发动机由电堆、氢气循环系统、空气供应系统、水热管理系统、电控系统和数据采集系统六大部分组成。

 

（1）电堆

 

作为氢燃料电池发动机的核心部件，电堆是氢气和氧气发生化学反应发电的地方。电堆由双极板和膜电极组成，催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸构成膜电极。

 

（2）氢气循环系统

 

氢气循环系统由减压阀、电磁阀、回氢泵、氢气浓度传感器和管路组成。来自气瓶的高压氢气通过减压阀降低氢气压力，由电磁阀控制氢气进入电堆。氢回流泵回收堆反应后的剩余氢，重新注入电堆中，提高氢气利用率。

 

（3）空气供应系统

 

空气供应系统主要由以下几部分组成：空气过滤器、空气压缩机/鼓风机、中冷器、空气加湿器。

 

（4）水热管理系统

 

水热管理系统由水泵和水温传感器两大部分组成，类似于传统内燃机的小循环散热系统。氢燃料电池发动机冷却液是由去离子水和乙二醇水溶液按一定比例配制而成的溶液。

 

（5）电控系统

 

氢燃料电池发动机电子控制系统主要由发动机控制器（FCU）和各种传感器组成。

 

（6）数据采集系统

 

数据采集系统主要是指数据采集器。通过数据采集系统，可以随时监控氢燃料电池发动机运行的各种参数和状态，如发动机位置、运行状态、各种传感器参数等，对各种参数进行数据分析和处理，并对异常参数实时报警、记录。

 

02氢燃料电池发电效率

 

系统发电效率=可逆热力学效率（94.53%，25℃）×电化学效率×燃料利用率×系统部件效率（除去各子系统部件损耗）：

 

（1）可逆热力学效率

 

代表燃料分子和氧气分子完全反应产生的能量，用来作功的最大值（需考虑热力学第二定律的约束）。

 

 

电化学反应发电本质上是基于氧化还原反应的电荷转移，气态水变液态水的过程没有什么贡献，因此，氢气发电要用低热值。根据热力学第二定律：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化（开尔文表述），即不可能把1公斤氢气和氧气燃烧放出来的热量全都用来作功（变成电能）而不引起变化。这个变化，正是以“熵”为特征的热。因此，任何装置使用化学能（燃料）发电作工，都有一个天然的极限转换效率。对于燃料电池来说，即可逆热力学发电效率，就是燃料电池能达到的最高理论发电效率。

 

 

常温（25℃）下，理论上1kg氢气可以发500mol*241.8/3600kJ=33.58度电；按照目前燃料电池系统额定工况发电的最高额定效率算（60%，已包含可逆热力学效率），实际上1kg氢气可以发500mol*241.8/3600*60%=20.15度电。

 

（2）电化学效率：电化学反应过程中是存在损耗的，主要来源于反应过程中的极化现象，包含欧姆极化，电化学活化极化和气体扩散极化（浓差极化）。电化学效率是衡量燃料电池电堆技术水平的关键。

 

（3）燃料利用率：燃料参与反应的比例。有的燃料电池可以通过循环泵，把流过电堆但没有参与反应的燃料再次循环利用，所以利用率就会很高，但也会有损失；有的燃料电池把没有参与反应的燃料给烧掉，以热能形式输出，此时燃料利用率就只能算参与反应的比例。

 

（4）系统部件效率：水管理、热管理、气体（氢气、空气）供应、控制-电管理等子系统部件需要消耗一定的能量（电或热）。

 

如果采用热电联供，还需要加上热利用效率，即:

 

系统综合效率=系统发电效率+热利用效率

 

热利用效率：被利用的热能/输入燃料的能量。需要注意：必须是对外输出、产生热效益的部分才算“被利用的热能”。比如常见的高温燃料电池——固体氧化物燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）——工作温度高达600——1000℃，排出的气体都会有高品位余热，可用于家庭、商业场所、公共单位的热水供应、冷链、生鲜超市、数据中心的高温蒸汽联合制冷机制冷。

 

热电联供往往是高温燃料电池才有的技能，常见的低温燃料电池，如质子交换膜燃料电池（PEMFC）和碱性燃料电池（AFC），相对来说，回收热能十分有限。

 

03氢燃料电池系统几大性能指标

 

（1）质量功率密度与体积功率密度

 

指单位质量或体积下电堆或者系统的输出功率，是目前燃料电池领域产品性能先进性和系统集成度的重要衡量指标之一，该指标相比额定与峰值功率更能反映燃料电池及系统的集成能力以及在整车布置环境中的实际效用。高的质量功率密度有利于提高整车的有效载荷和降低燃料消耗，代表系统及其零件的集成度越高，也代表零件布置得越紧凑；同时该参数越高也代表在同等质量条件下系统能输出更高的功率。高的体积功率密度有利于电堆或者系统在整车上的布置，特别是对于布置空间相对受限的乘用车。

 

（2）电极功率密度

 

指电堆中每节单电池单位活性面积的发电功率，单位为W/cm2，这项指标是衡量电堆在一定效率下发电能力的关键指标，取决于膜电极、双极板各自性能水平，也取决于膜电极和双极板的匹配集成水平，是电堆性能水平的关键指标。

 

（3）额定功率

 

指该电堆或系统可以连续稳定长时间运行的最大功率，是测量燃料电池电堆或系统做功能力的重要指标。

 

（4）系统低温启动能力

 

指燃料电池汽车在低温寒冷环境下能够满足快速启动的能力。

 

（5）动态性能验证

 

车辆实际运行过程中，随着路况变化（怠速，加速，减速和匀速），燃料电池堆输出功率会随着载荷变化。寿命和耐久性一般通过时间参数来表征，一般是20000h。

 

为何工况会影响燃料电池寿命？工况会引起缺气和电压频繁变化，造成燃料电池堆的衰减。开路，低载荷怠速工况，该工况会引起阴极高电势，造成燃料电池堆的衰减。过载工况，会引起缺水和水淹造成燃料电池衰减。启停工况，环境空气的侵入会引起阴极高电势，造成燃料电池堆的衰减。