質子交換膜燃料電池堆有兩個進口和兩個出口,分別與氫迴路(陽極)、空氣迴路(陰極)相連接。來自儲氫罐的氫經調壓閥、射流泵進入陽極入口In1,圖示系統對氫採取過量供應,從陽極出口Out1排出的氫又重回到射流泵,實現氫的循環回收。壓縮機與膨脹機安裝在同一根傳動軸上,燃料電池起動時,壓縮機由電動機1驅動(由起動電池供電),將空氣經穩壓罐壓入陰極入口In2。

燃料電池起動後,壓縮機轉換爲由燃料電池供電的電動機2驅動,電動機2比電動機1功率大、電壓高。通過控制電動機2的轉速調節空氣流量,以滿足空氣過量係數λ和功率需求。空氣過量係數λ取得越大,壓縮機消耗功率越大,燃料電池輸出的淨功率越小,效率越低。

爲了提高燃料電池系統的效率,除了根據燃料電池工作條件來合理優選λ值外,還使陰極出口Out2排出的氣體進入膨脹機進口,利用排出氣體中的剩餘能量借膨脹機來驅動壓縮機,實現能量回收。膨脹機排出的氣體經氣水分離器排入大氣。在增壓式燃料電池系統裏,壓縮機是十分關鍵的部件,它可以選用的類型很多,有雙螺桿式、羅茨轉子式、葉片式等。

爲了提高系統效率,將壓縮機和膨脹機組合使用,在完成壓縮空氣的同時實現回收排氣中的能量,降低功率消耗。“壓縮-膨脹機”系統動態響應時間快、尺寸緊湊、質量小、成本低。

空氣加壓是需要消耗功率的(這個功率叫作“寄生功率”),儘管人們在空氣出口這一側裝一臺膨脹器來回收膨脹功率,但是,即使技術優秀的巴拉德公司開發的系統,在0.3MPa的壓力下工作時仍然有大約20%的總功率消耗在輔助系統裏,其中主要是消耗在空氣壓縮機上。壓縮-膨脹機系統不僅體積大而複雜,且價格高。爲了儘量減少寄生功率,壓縮機的使用也限制了可以進入陰極的過量空氣總量。

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