燃料電池發(fā)動機(jī)是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。該工藝不涉及燃燒，無機(jī)械損耗，能量轉(zhuǎn)換率高，產(chǎn)品只有電、熱、水，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音低。被稱為“環(huán)保發(fā)動機(jī)”。

 

 

氫燃料電池發(fā)動機(jī)由電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)六大部分組成。

 

（1）電堆

 

作為氫燃料電池發(fā)動機(jī)的核心部件，電堆是氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的地方。電堆由雙極板和膜電極組成，催化劑、質(zhì)子交換膜和碳布/碳紙構(gòu)成膜電極。

 

（2）氫氣循環(huán)系統(tǒng)

 

氫氣循環(huán)系統(tǒng)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(jìn)入電堆。氫回流泵回收堆反應(yīng)后的剩余氫，重新注入電堆中，提高氫氣利用率。

 

（3）空氣供應(yīng)系統(tǒng)

 

空氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)、中冷器、空氣加濕器。

 

（4）水熱管理系統(tǒng)

 

水熱管理系統(tǒng)由水泵和水溫傳感器兩大部分組成，類似于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的小循環(huán)散熱系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)動機(jī)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(tǒng)

 

氫燃料電池發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)控制器（FCU）和各種傳感器組成。

 

（6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

 

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是指數(shù)據(jù)采集器。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以隨時(shí)監(jiān)控氫燃料電池發(fā)動機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)和狀態(tài)，如發(fā)動機(jī)位置、運(yùn)行狀態(tài)、各種傳感器參數(shù)等，對各種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并對異常參數(shù)實(shí)時(shí)報(bào)警、記錄。

 

02氫燃料電池發(fā)電效率

 

系統(tǒng)發(fā)電效率=可逆熱力學(xué)效率（94.53%，25℃）×電化學(xué)效率×燃料利用率×系統(tǒng)部件效率（除去各子系統(tǒng)部件損耗）：

 

（1）可逆熱力學(xué)效率

 

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

 

 

電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電本質(zhì)上是基于氧化還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移，氣態(tài)水變液態(tài)水的過程沒有什么貢獻(xiàn)，因此，氫氣發(fā)電要用低熱值。根據(jù)熱力學(xué)第二定律：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機(jī)，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓ㄩ_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(gè)變化，正是以“熵”為特征的熱。因此，任何裝置使用化學(xué)能（燃料）發(fā)電作工，都有一個(gè)天然的極限轉(zhuǎn)換效率。對于燃料電池來說，即可逆熱力學(xué)發(fā)電效率，就是燃料電池能達(dá)到的最高理論發(fā)電效率。

 

 

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

 

（2）電化學(xué)效率：電化學(xué)反應(yīng)過程中是存在損耗的，主要來源于反應(yīng)過程中的極化現(xiàn)象，包含歐姆極化，電化學(xué)活化極化和氣體擴(kuò)散極化（濃差極化）。電化學(xué)效率是衡量燃料電池電堆技術(shù)水平的關(guān)鍵。

 

（3）燃料利用率：燃料參與反應(yīng)的比例。有的燃料電池可以通過循環(huán)泵，把流過電堆但沒有參與反應(yīng)的燃料再次循環(huán)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(yīng)的燃料給燒掉，以熱能形式輸出，此時(shí)燃料利用率就只能算參與反應(yīng)的比例。

 

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

 

如果采用熱電聯(lián)供，還需要加上熱利用效率，即:

 

系統(tǒng)綜合效率=系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)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(dá)600——1000℃，排出的氣體都會有高品位余熱，可用于家庭、商業(yè)場所、公共單位的熱水供應(yīng)、冷鏈、生鮮超市、數(shù)據(jù)中心的高溫蒸汽聯(lián)合制冷機(jī)制冷。

 

熱電聯(lián)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(zhì)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(tǒng)幾大性能指標(biāo)

 

（1）質(zhì)量功率密度與體積功率密度

 

指單位質(zhì)量或體積下電堆或者系統(tǒng)的輸出功率，是目前燃料電池領(lǐng)域產(chǎn)品性能先進(jìn)性和系統(tǒng)集成度的重要衡量指標(biāo)之一，該指標(biāo)相比額定與峰值功率更能反映燃料電池及系統(tǒng)的集成能力以及在整車布置環(huán)境中的實(shí)際效用。高的質(zhì)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(tǒng)及其零件的集成度越高，也代表零件布置得越緊湊；同時(shí)該參數(shù)越高也代表在同等質(zhì)量條件下系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)單電池單位活性面積的發(fā)電功率，單位為W/cm2，這項(xiàng)指標(biāo)是衡量電堆在一定效率下發(fā)電能力的關(guān)鍵指標(biāo)，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(guān)鍵指標(biāo)。

 

（3）額定功率

 

指該電堆或系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定長時(shí)間運(yùn)行的最大功率，是測量燃料電池電堆或系統(tǒng)做功能力的重要指標(biāo)。

 

（4）系統(tǒng)低溫啟動能力

 

指燃料電池汽車在低溫寒冷環(huán)境下能夠滿足快速啟動的能力。

 

（5）動態(tài)性能驗(yàn)證

 

車輛實(shí)際運(yùn)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(shí)間參數(shù)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(huán)境空氣的侵入會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。