Компоненты системы водородных топливных элементов

Для поддержания нормальной работы реактора система водородных топливных элементов также нуждается во взаимодействии системы подачи водорода, системы управления водными ресурсами, воздушной системы и других внешних вспомогательных подсистем. Соответствующие компоненты системы включают циркуляционный насос водорода, баллон с водородом, увлажнитель и воздушный компрессор. Топливные элементы производят много воды во время работы. Слишком низкое содержание воды вызовет явление, называемое «сухой пленкой», которое препятствует передаче протонов. Чрезмерное содержание воды может привести к «заболачиванию», что затрудняет диффузию газа в пористой среде, что приводит к низкому выходному напряжению реактора. Скопление примесного газа (N2), проникающего со стороны катода к аноду, препятствует контакту водорода со слоем катализатора, что приводит к локальному «водородному голоданию» и химической коррозии. Таким образом, водный баланс имеет большое значение для срока службы реактора водородных топливных элементов PEM. Решение состоит в том, чтобы ввести в реактор оборудование для циркуляции водорода (циркуляционный насос, инжектор) для обеспечения продувки газа, повторного использования водорода, увлажнения водорода и других функций.

Циркуляционный насос водорода может контролировать поток водорода в режиме реального времени в соответствии с условиями работы и повышать эффективность использования водорода. Однако «водородное охрупчивание» легко происходит в среде, содержащей водород и переход вброд. Явление замерзания при низкой температуре может привести к нарушению нормальной работы системы. Поэтому водородный циркуляционный насос должен обладать высокой водостойкостью, стабильным выходным давлением и безмасляной производительностью, что сложно подготовить и дорого изготовить. Поэтому были разработаны схемы одинарного эжектора и двойного эжектора. В первом непросто поддерживать стабильность рабочего процесса при высокой/низкой нагрузке, запуске-остановке системы, переменной нагрузке системы и других условиях работы, в то время как второй может адаптироваться к различным условиям работы, но имеет сложную структуру и сложный контроль [18]. Есть также несколько эжекторов и водородных циркуляционных насосов параллельно, схема эжектора и байпасного водородного циркуляционного насоса также имеет явные преимущества и недостатки. В 2010 году американская консалтинговая компания по технологиям предложила конструкцию системы водородного цикла, в которой возвратный выхлопной газ используется для увлажнения впрыснутого водорода (без анодного увлажнителя), что представляет собой направление развития будущего оборудования водородного цикла.

Воздушный компрессор в системе водородных топливных элементов может обеспечить окислитель (воздух), который соответствует удельной мощности реактора. Он имеет преимущества высокого коэффициента давления, небольшого объема, низкого уровня шума, большой мощности, отсутствия масла и компактной конструкции. Обычный бортовой воздушный компрессор на топливных элементах бывает центробежным, винтовым, спиральным и так далее. В настоящее время винтовые воздушные компрессоры широко используются, но центробежные воздушные компрессоры имеют больше перспектив применения из-за их хорошей воздухонепроницаемости, компактной конструкции, малой вибрации и высокой эффективности преобразования энергии. Ключевые компоненты воздушного компрессора, подшипник, двигатель - технология узкого места, низкая стоимость, материал покрытия, устойчивый к трению, также находится в центре внимания развития. General Electric, United Technologies, Prager Energy, Xcellsis из Германии, Ballard Power Systems из Канады и Toyota Motor Corporation из Японии имеют линейки коммерческих воздушных компрессоров.