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燃料电池系统的构型

准备开始写写燃料电池研究中的一些想法,欢迎大家交流。

构型是燃料电池的基础,也是所有技术最后的承载,这里首先来谈谈空气路的选择之一:增湿和无增湿构型。

增湿构型是主流的,最常见的。在最表观,也就是能看到的层面上,增湿构型指的就是空气路的零部件布置了,换句话说,就是有没有增湿器,气气交换型的增湿器。至于其他类型的增湿方式,诸如用开度阀、循环泵等都是可以实现的方式,但不具有实用性。

原理也很简单,利用空气废气的高湿(通常情况下携带液态水)对低湿的空气进气加湿,改善电堆空气路入口和出口的湿度差异,改善电堆的发电性能。下图分别是本田和丰田采用的增湿构型。

本田现在采用的构型
丰田adv版本的构型

可以看得出来,两家最后的选择都是一样的,增湿器+bypass,这套思路也是丰田在迈进Mirai的无增湿构型之前的最后版本,所以一定意义上来说,这或许代表的就是增湿的终极套路了。

理由也很简单,因为增湿器是气气增湿的被动部件,不像加湿器,可以控制相对湿度,它严重依赖于空气排气特性。在大功率点,空气排气通常都是携带着大量液态水的饱和蒸汽,导致电堆空气进气相对湿度很高,并进一步导致电堆水淹特征明显。所以利用一路bypass可以解决大功率下的增湿过度的问题,增加了控制的自由度。

而无增湿的构型,简单点说,就是去掉了增湿器。不用增湿器看起来很简单,但是要想保证电堆的性能,还是有很大的难度,尤其是在大功率下,空气流量大,湿度低,导致电堆入口处非常干燥,电堆的性能和寿命都会受到很大的影响。而要解决这个问题,需要流道、MEA做出很多的改进和设计,这可以单独写很多篇了。

Mirai的系统构型

丰田对自己的无增湿构型的方案设计给出了简单的描述。插一句,丰田是个很靠谱的老司机,它会真实的把自己的技术理念公布出来供大家学习,看着后来者趟过它当年趟过的泥石流。

内外双循环

丰田用内外双循环的方式解读了自己的无增湿方案。利用循环泵在阳极形成外部增湿循环(常规套路),利用水在膜两侧的扩散和电子拖曳形成内增湿循环,解决了空气入口干燥的问题。原理看起来大家都懂,但是其实里面包含着很多的魔鬼细节,比如膜变薄、针对性的调整亲水性、借助外力的作用等等。

构型,是燃料电池开发的重要一环,作为燃料电池功能承载的硬件集合,从中能解读出很多丰富的信息。