我們的人體獲取能量的方式類似于一個(gè)燃料電池，通過呼吸系統(tǒng)將空氣中的氧氣帶入人體，并隨著血液循環(huán)系統(tǒng)與營養(yǎng)物質(zhì)反應(yīng)，為生命活動(dòng)提供源源不斷的能量。而在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中，也有一個(gè)子系統(tǒng)扮演著和人體的呼吸系統(tǒng)相同的角色，那就是我們今天要介紹的主角——空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)。
空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)為電堆提供合適流量、溫度、壓力和濕度的潔凈空氣。常規(guī)的空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)的原理如圖一所示，主要包含空氣過濾器、空壓機(jī)、中冷器、增濕器和節(jié)氣門等幾個(gè)核心部件。空氣過濾器除了過濾物理顆粒物外，對一氧化氮和硫化物等有毒氣體也有一定的過濾作用；空壓機(jī)負(fù)責(zé)對空氣進(jìn)行加壓，并根據(jù)電堆的需求與節(jié)氣門協(xié)調(diào)工作，保證進(jìn)出電堆的空氣流量和壓力在合適的范圍；經(jīng)過空壓機(jī)之后，空氣溫度會(huì)增加到100 ℃以上，超過電堆的適用溫度，需要通過中冷器對壓縮空氣進(jìn)行降溫；增濕器，通過電堆陰極出口的高溫高濕度的尾氣與空壓機(jī)出口的空氣進(jìn)行濕熱交換，滿足電堆對空氣的濕度要求。
圖一 ：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)
近年來，隨著燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用階段，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性與耐久性逐漸成為了研發(fā)的重點(diǎn)，也對空氣進(jìn)氣系統(tǒng)提出了更高的要求。今天，小編選擇其中幾個(gè)重點(diǎn)方向與大家共同分享一下：
關(guān)機(jī)后密閉電堆陰極
燃料電池在關(guān)機(jī)后，陰極若有空氣殘留，其中的氧氣會(huì)穿過質(zhì)子膜，逐漸滲透進(jìn)入陽極，這會(huì)導(dǎo)致開機(jī)后在陽極形成氫空界面，產(chǎn)生高的過電位，降解質(zhì)子膜中的催化劑碳載體，從而造成催化劑的損失，引起電堆性能與耐久的下降。
為了避免該狀況的發(fā)生，有必要對燃料電池電堆的陰極回路進(jìn)行密閉，防止空氣的進(jìn)入，同時(shí)在關(guān)機(jī)前消耗掉陰極殘留的氧氣，形成無氧環(huán)境。
豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)在電堆陰極入口處設(shè)置有三向閥，控制陰極回路。在關(guān)機(jī)狀態(tài)，該三向閥可以密閉陰極回路，防止空氣進(jìn)入電堆。
圖二：豐田Mirai使用三向閥封閉陰極回路系統(tǒng)示意圖
現(xiàn)代在專利中也有相似的設(shè)計(jì)，采用一個(gè)組合三向閥控制陰極氣體的進(jìn)入。在關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，三向閥打開旁通路，同時(shí)封閉電堆出入口。
圖三：現(xiàn)代汽車組合三向閥設(shè)計(jì)示意圖
啟停和怠速狀態(tài)下降低尾排氫氣濃度
氫氣的可燃極限（體積分?jǐn)?shù)）在4.0%——75.6%，這個(gè)范圍內(nèi)，氫氣可以在空氣中燃燒，甚至發(fā)生爆炸。根據(jù)汽車相關(guān)法規(guī)要求，尾氣排放中的可燃?xì)怏w濃度要低于最低可燃極限的75%，即氫氣的體積分?jǐn)?shù)需要低于3.0%。
然而在燃料電池系統(tǒng)啟停過程中，經(jīng)常會(huì)排出較高濃度的氫氣，此時(shí)單純靠電堆陰極正常工作時(shí)排出的空氣流量不足以使氫氣濃度降低至3.0%。如果直接增大陰極的空氣流量，又存在破壞電堆內(nèi)水平衡進(jìn)而影響耐久性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了提升燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性同時(shí)保證其耐久性，在啟停和怠速階段，需要有額外的空氣補(bǔ)充進(jìn)來稀釋尾排內(nèi)的氫氣濃度。
現(xiàn)代NEXO和之前所展示的豐田Mirai均具有該功能，通過三向閥控制進(jìn)入電堆的空氣比例，使部分空氣直接進(jìn)入排氣管，從而降低其中的氫氣體積分?jǐn)?shù)。
圖四：現(xiàn)代NEXO陰極回路設(shè)計(jì)示意圖
此外，對于目前采用離心式空壓機(jī)的系統(tǒng)，還可令其在電堆功率較低時(shí)，維持較大的流量，并通入旁通路，可以有效的避免空壓機(jī)喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)。
更靈活的水管理
燃料電池電堆的質(zhì)子膜需要在濕潤狀態(tài)下才能正常地傳輸氫質(zhì)子。在電堆自身產(chǎn)水不足的工況下，如果進(jìn)入電堆的氣體過于干燥則會(huì)迅速帶走大量的水，從而影響電堆的性能。典型的空氣進(jìn)氣系統(tǒng)，在陰極回路通常會(huì)設(shè)置增濕器，為電堆提供一定濕度的氣體。然而，在電堆本身產(chǎn)水過剩的工況下，進(jìn)入電堆的空氣濕度過高則會(huì)使其帶出水的能力下降，而過多的水在電堆內(nèi)積累有可能導(dǎo)致膜電極水淹，從而造成局部熱點(diǎn)甚至反極等問題的出現(xiàn)。因此，為了對電堆進(jìn)行更靈活的水管理，需要實(shí)時(shí)地對陰極進(jìn)氣的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本田CLARITY燃料電池系統(tǒng)的陰極回路具有加濕器，并與旁通閥并聯(lián)?；贑CM含水量和電堆阻抗的關(guān)系特性，依據(jù)測得的電堆阻抗，調(diào)節(jié)旁通閥開度，定量地控制進(jìn)堆氣體濕度，確保電堆CCM含水量控制在最佳運(yùn)行濕度的上限和下限內(nèi)，從而令堆內(nèi)濕度維持在適宜的水平。
圖五：本田Clarity濕度控制方案（本田Clarity技術(shù)報(bào)告）
此外，關(guān)機(jī)時(shí)燃料電池電堆中的水含量將會(huì)顯著影響其低溫啟動(dòng)性能，較低的膜水含量會(huì)有利于電堆的低溫啟動(dòng)性能，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。本田的設(shè)計(jì)同樣也可以控制系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)的堆內(nèi)水含量，保障低溫啟動(dòng)性能。
除了本田的陰極回路設(shè)計(jì)，現(xiàn)代汽車的相關(guān)專利中也有一項(xiàng)組合陰極閥設(shè)計(jì)，可以在實(shí)現(xiàn)密閉陰極回路、降低尾排氫氣濃度功能的同時(shí)，控制電堆關(guān)機(jī)時(shí)的水含量。
該設(shè)計(jì)通過控制組合陰極閥，在低溫關(guān)機(jī)時(shí)，使電堆陰極排出的氣體不經(jīng)過增濕器，直接進(jìn)入大氣，從而快速排出堆內(nèi)水分，提升電堆的低溫啟動(dòng)性能。
圖六：現(xiàn)代汽車組合陰極閥設(shè)計(jì)圖
氫途科技專注于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，以對標(biāo)國際一流燃料電池系統(tǒng)為己任，針對以上討論的問題，已有成熟的解決方案，將在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證。
