质子交换膜燃料电池堆有两个进口和两个出口,分别与氢回路(阳极)、空气回路(阴极)相连接。来自储氢罐的氢经调压阀、射流泵进入阳极入口In1,图示系统对氢采取过量供应,从阳极出口Out1排出的氢又重回到射流泵,实现氢的循环回收。压缩机与膨胀机安装在同一根传动轴上,燃料电池起动时,压缩机由电动机1驱动(由起动电池供电),将空气经稳压罐压入阴极入口In2。

燃料电池起动后,压缩机转换为由燃料电池供电的电动机2驱动,电动机2比电动机1功率大、电压高。通过控制电动机2的转速调节空气流量,以满足空气过量系数λ和功率需求。空气过量系数λ取得越大,压缩机消耗功率越大,燃料电池输出的净功率越小,效率越低。

为了提高燃料电池系统的效率,除了根据燃料电池工作条件来合理优选λ值外,还使阴极出口Out2排出的气体进入膨胀机进口,利用排出气体中的剩余能量借膨胀机来驱动压缩机,实现能量回收。膨胀机排出的气体经气水分离器排入大气。在增压式燃料电池系统里,压缩机是十分关键的部件,它可以选用的类型很多,有双螺杆式、罗茨转子式、叶片式等。

为了提高系统效率,将压缩机和膨胀机组合使用,在完成压缩空气的同时实现回收排气中的能量,降低功率消耗。“压缩-膨胀机”系统动态响应时间快、尺寸紧凑、质量小、成本低。

空气加压是需要消耗功率的(这个功率叫作“寄生功率”),尽管人们在空气出口这一侧装一台膨胀器来回收膨胀功率,但是,即使技术优秀的巴拉德公司开发的系统,在0.3MPa的压力下工作时仍然有大约20%的总功率消耗在辅助系统里,其中主要是消耗在空气压缩机上。压缩-膨胀机系统不仅体积大而复杂,且价格高。为了尽量减少寄生功率,压缩机的使用也限制了可以进入阴极的过量空气总量。

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