增压式燃料电池与常压式燃料电池

知识点六、增压式燃料电池与常压式燃料电池

由有关理论分析得知,在燃料电池里,分压为PH的1mol氢气和分压为Po的1/2mol氧气,反应产生分压为的1mol水时,获得的开路电压的值为

式中,为气体常数;为温度;,为法拉第常数。

式(4－3)称为能斯特等式(Nemst Equation)。由这一等式可知,在反应生成物水处于常压的前提下,提高反应气体氢气和氧气的分压,可使电压提高。也就是说,燃料电池系统可以通过提高反应气体压力的方法增加其功率密度,这种燃料电池系统称为增压式燃料电池系统。而反应气体压力约为1个大气压的燃料电池系统称为常压燃料电池系统。

1.增压式燃料电池

图7-11所示为一种增压式燃料电池的系统构成示意图。图中,质子交换膜燃料电池堆有两个进口,两个出口,分别与氢气回路(阳极)和空气回路(阴极)相连接。来自储气罐的氢气经过调压阀、射流泵进入阳极入口1nl,图中系统对氢气采取过量供应,从阳极出口Outl排出的氢气又回到射流泵中,实现氢气的循环回收。

图7-11　增压式燃料电池的系统构成示意图

压缩机与膨胀机安装在同一根传动轴上,燃料电池启动时,压缩机由电动机1驱动(电动机1由蓄电池供电),压缩机将空气经稳压罐压入阴极入口In2。燃料电池启动后,压缩机改由电动机2驱动,电动机2由燃料电池驱动,而且该电动机功率大,电压高。通过控制电动机2的转速,来调节空气流量,以满足空气过量系数和功率的要求。

膨胀机的作用是回收阴极出口Out2排出的剩余压缩气体的能量,助力压缩机工作,以减少压缩机所消耗的电能。

增压式燃料电池虽然增加了燃料电池的功率密度,却为了维持反应气体的压力,需要为压缩机等辅助设施消耗很多电能,也就是说,增加功率的相当一部分(约占总功率的20%)用于自己消耗(这部分功率称为寄生功率),造成了整个系统效率较低的问题。针对这一缺点,美国UTC公司开发了一种常压燃料电池系统,这种系统的寄生功率很小,只有5%左右。图7-12所示给出了两种燃料电池的结构对比图。

图7-12　增压式与常压式燃料电池结构比较图

2.常压式燃料电池

常压式燃料电池的基本结构如图7-13所示。系统中的膜片式水泵将水送到阳极的水道里,以便对电解质膜直接用液态水加湿,为了防止氢气窜到水道中来,在水管路上设置一个背压阀,时刻保持电池堆内的水压力大于氢气管路中的压力。从图中可以看出,有一条氢气的循环通路,氢气从电池堆出来后,首先要经过水箱,然后再通过膜片式泵,送回阳极入口。

常压式燃料电池具有以下特点。

(1)阳极上直接用液态水对膜加湿,保证电解膜充分含水;

(2)阴极供应空气近似常压,所以寄生功率小;

(3)给阴极供应的不是加湿空气,不需要加湿模块;

(4)供给阴极的空气量很大,可以清除阴极上生成的大部分水;

(5)通过蒸发反应气体中的水进行冷却,使冷却系统大大简化;

(6)由于是低压系统,电池堆与系统的密封、管道接头等容易处理。

图7-13　常压式燃料电池的基本结构