Komponenten von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen

Um den normalen Betrieb des Reaktors aufrechtzuerhalten, benötigt das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem auch die Zusammenarbeit des Wasserstoffversorgungssystems, des Wassermanagementsystems, des Luftsystems und anderer externer Hilfssubsysteme. Zu den entsprechenden Systemkomponenten gehören Wasserstoffumwälzpumpe, Wasserstoffflasche, Luftbefeuchter und Luftkompressor. Brennstoffzellen produzieren im Betrieb viel Wasser. Ein zu niedriger Wassergehalt erzeugt ein Phänomen, das als "Trockenfilm" bezeichnet wird und die Protonenübertragung verhindert. Ein übermäßiger Wassergehalt kann zu einer "Wasseransammlung" führen, die die Diffusion von Gas in das poröse Medium behindert, was zu einer niedrigen Reaktorausgangsspannung führt. Die Ansammlung von Fremdgas (N2), das von der Kathodenseite zur Anode vordringt, behindert den Kontakt zwischen Wasserstoff und der Katalysatorschicht, was zu lokalem „Wasserstoffmangel“ und chemischer Korrosion führt. Daher ist der Wasserhaushalt von großer Bedeutung für die Reaktorlebensdauer von PEM-Wasserstoffbrennstoffzellen. Die Lösung besteht darin, eine Wasserstoffzirkulationsausrüstung (Umwälzpumpe, Injektor) in den Reaktor einzuführen, um Gasspülung, Wasserstoffwiederverwendung, Wasserstoffbefeuchtung und andere Funktionen zu erreichen.

Die Wasserstoffumwälzpumpe kann den Wasserstofffluss in Echtzeit entsprechend den Arbeitsbedingungen steuern und die Effizienz der Wasserstoffnutzung verbessern. Jedoch tritt leicht eine "Wasserstoffversprödung" in einer Umgebung auf, die Wasserstoff und Waten beinhaltet. Das Gefrierphänomen bei niedriger Temperatur kann dazu führen, dass das System nicht normal funktioniert. Daher muss eine Wasserstoffumwälzpumpe eine starke Wasserbeständigkeit, einen stabilen Ausgangsdruck und eine ölfreie Leistung aufweisen, was schwierig vorzubereiten und teuer in der Herstellung ist. Daher wurden die Schemata eines einzelnen Ejektors und eines doppelten Ejektors entwickelt. Ersteres ist nicht einfach, die Stabilität des Arbeitsablaufs bei hoher/niedriger Belastung, System-Start-Stopp, variabler Systemlast und anderen Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten, während letzteres sich an unterschiedliche Arbeitsbedingungen anpassen kann, aber eine komplexe Struktur und schwierige Steuerung aufweist [18]. Es gibt auch einige Ejektor- und Wasserstoffumwälzpumpen parallel, das Ejektor-plus-Bypass-Wasserstoffumwälzpumpenschema hat ebenfalls deutliche Vor- und Nachteile. Im Jahr 2010 schlug das amerikanische Technologieberatungsunternehmen ein Design eines Wasserstoffkreislaufsystems vor, das das zurückgeführte Abgas zur Befeuchtung des eingespritzten Wasserstoffs verwendet (ohne Anodenbefeuchter), was die Entwicklungsrichtung der zukünftigen Wasserstoffkreislaufausrüstung darstellt.

Der Luftkompressor im Wasserstoff-Brennstoffzellensystem kann das Oxidationsmittel (Luft) bereitstellen, das der Leistungsdichte des Reaktors entspricht. Es hat die Vorteile eines hohen Druckverhältnisses, eines kleinen Volumens, eines geringen Geräuschpegels, einer großen Leistung, kein Öl und einer kompakten Struktur. Der übliche bordeigene Brennstoffzellen-Luftkompressor hat die Typen Zentrifugal, Schraube, Spirale und so weiter. Gegenwärtig sind Schraubenluftkompressoren weit verbreitet, aber Zentrifugalluftkompressoren haben aufgrund ihrer guten Luftdichtheit, kompakten Struktur, geringen Vibration und hohen Energieumwandlungseffizienz mehr Anwendungsperspektiven. In den Schlüsselkomponenten Luftkompressor, Lager, Motor ist die Engpasstechnologie, niedrige Kosten, reibungsbeständiges Beschichtungsmaterial steht ebenfalls im Mittelpunkt der Entwicklung. General Electric, United Technologies, Prager Energy, Xcellsis aus Deutschland, Ballard Power Systems aus Kanada und Toyota Motor Corporation aus Japan haben alle kommerzielle Luftkompressor-Produktlinien.