解讀燃料電池陰極側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)：確保清潔與完美濕度
發(fā)布時(shí)間：
2023-12-07
解讀燃料電池陰極側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)：確保清潔與完美濕度
質(zhì)子交換膜燃料電池由通過半透膜彼此隔開的電極組成。大量串聯(lián)布置的這些電極膜單元形成燃料電池堆
在運(yùn)行期間，燃料電池核心組件對(duì)進(jìn)氣中存在的顆粒、有害氣體和水非常敏感。同時(shí)質(zhì)子交換膜在工作中又需要空氣中保持充分的相對(duì)濕度，以確保它不會(huì)太干。為了確保燃料電池堆無故障運(yùn)行和系統(tǒng)的使用壽命，顆粒的過濾和有害氣體的吸附以及有效的水分離非常重要。
據(jù)曼胡默爾透露，公司現(xiàn)已開發(fā)出用于燃料電池陰極通道并確保供應(yīng)有效干凈空氣的創(chuàng)新型進(jìn)氣系統(tǒng)。
資料顯示，曼胡默爾集團(tuán)于1941年建于德國(guó)南部的路德維希堡，毗鄰斯圖加特。曼胡默爾集團(tuán)致力于為國(guó)際汽車行業(yè)和工程機(jī)械行業(yè)開發(fā)和提供原廠配套設(shè)備。在汽車行業(yè)，曼胡默爾的產(chǎn)品包括多功能塑料空氣過濾系統(tǒng)、進(jìn)氣歧管系統(tǒng)、液體過濾系統(tǒng)、空調(diào)濾清器和氣缸蓋罩以及用于車輛售后服務(wù)和維修的濾芯。
曼胡默爾集團(tuán)作為擁有約80年過濾技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的汽車零部件公司，在燃料電池領(lǐng)域相關(guān)零部件已有多年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
針對(duì)陰極空濾凈化系統(tǒng)的研發(fā)，曼胡默爾集團(tuán)早在十多年前已經(jīng)開始：2008年，開始開發(fā)適用于輔助動(dòng)力裝置的陰極空濾并在2009年進(jìn)行首批樣品供應(yīng)；2010年，在微型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備上提供陰極空濾進(jìn)行測(cè)試并于2012年成功中標(biāo)此項(xiàng)目；2013年，PROTECT+air系列陰極空濾成功中標(biāo)德國(guó)F-Cell項(xiàng)目；2014年，開發(fā)適用于SOFC輔助動(dòng)力裝置的陰極空濾；2016年，開發(fā)星形打折結(jié)構(gòu)陰極空濾中標(biāo)燃料電池叉車項(xiàng)目；2017年，推出了氨氣吸附增強(qiáng)的過濾材料；2019年，推出新一代車用級(jí)ENTARON FC系列陰極空濾系統(tǒng)。
今年1月，曼胡默爾官微透露，公司已加入國(guó)際氫能委員會(huì)Hydrogen Council。國(guó)際氫能委員會(huì)于 2017 年初在達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇上成立，是首個(gè)推動(dòng)氫技術(shù)在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮作用的由全球領(lǐng)先企業(yè)首席執(zhí)行官組成的倡議組織。目前的成員是80多家領(lǐng)先的能源、運(yùn)輸及工業(yè)企業(yè)。該理事會(huì)與政府決策者，國(guó)際當(dāng)局和公眾一道，旨在建立將氫能作為解決方案，以促進(jìn)退出化石燃料和核能，并實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)。
下文將著重介紹陰極側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功能及曼胡默爾給出的產(chǎn)品技術(shù)方案。
第一步：清潔空氣
吸入的環(huán)境空氣通過帶有空氣分離器的臟空氣管道被引導(dǎo)到整個(gè)系統(tǒng)的核心部件陰極空氣濾清器。顆粒過濾層將進(jìn)氣中的顆粒物質(zhì)分離。過濾器濾芯的專用活性炭層吸收有害氣體，例如二氧化硫（SO2），氮氧化物（NOx）和氨（NH3），因此可以保護(hù)催化劑免受污染和降解。
在干凈空氣側(cè)，空氣流量傳感器測(cè)量進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量。該信息被用于計(jì)算氧氣與氫氣的精確比例，以確保最佳運(yùn)行和燃料電池堆的效率。集成在干凈空氣管道中的諧振器可減輕令人不快的流動(dòng)噪聲，同時(shí)管道中的波紋管可提供必要的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
第二步：完美濕度
干凈的空氣會(huì)通過壓縮機(jī)將足夠的空氣引導(dǎo)至燃料電池。這一過程導(dǎo)致氣體溫度升高，在進(jìn)入燃料電池堆之前，通過位于壓縮機(jī)下游的冷卻器降低增壓空氣溫度。
為了使燃料電池運(yùn)行最佳，進(jìn)氣必須有充分的濕度。如果進(jìn)氣太干，將對(duì)燃料電池堆中質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，加濕器會(huì)將來自陰極排氣過程的水添加到進(jìn)氣中來增加進(jìn)氣濕度。在加濕的過程中可能會(huì)形成水滴，陰極水分離器將這些水滴分離出來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池堆的保護(hù)。
燃料電池堆上游的進(jìn)氣控制閥門調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，以確保實(shí)現(xiàn)理想的電化學(xué)反應(yīng)。介質(zhì)分配模塊中的顆粒過濾器（燃料電池堆的法蘭）還提供了額外的保護(hù)，以防止來自制造和組裝過程的顆粒進(jìn)入燃料電池堆。
第三步：冷卻液過濾
燃料電堆反應(yīng)產(chǎn)生的水由排氣管引導(dǎo)回到加濕器。在加濕器中濕度通過氣密的平板薄膜傳遞到進(jìn)氣中。多余的水通過水分離器去除，以保護(hù)渦輪機(jī)免受水的沖擊造成損壞。排氣渦輪機(jī)用于利用系統(tǒng)中的動(dòng)能來提高整體的效率。在將空氣引出排氣管之前，消聲器可消除超出目標(biāo)存在的噪音。
除了進(jìn)氣系統(tǒng)外，曼胡默爾還將過濾專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于冷卻回路。氫和氧在燃料電池中的反應(yīng)產(chǎn)生的熱量并通過冷卻回來進(jìn)行散熱。冷卻液顆粒過濾器將冷卻液回路中有害顆粒分離出來進(jìn)行泵的保護(hù)。位于冷卻液旁通支路中的離子交換過濾器可將陰陽離子從系統(tǒng)中置換出來從而確保冷卻液電導(dǎo)率保持在允許的極限以下。
據(jù)了解，曼胡默爾利用專業(yè)的仿真知識(shí)以及豐富廣泛的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)來開發(fā)燃料電池陰極通道的進(jìn)氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)供應(yīng)商提供完整集成的系統(tǒng)。其不僅實(shí)現(xiàn)了各個(gè)組件的靈活完美匹配，還極大降低了部件間接口和簡(jiǎn)化了安裝工藝，并確保燃料電池在整個(gè)使用壽命內(nèi)的性能。
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