Компоненти системи водневих паливних елементів

Для підтримки нормальної роботи реактора система водневих паливних елементів також потребує взаємодії системи подачі водню, системи управління водою, повітряної системи та інших зовнішніх допоміжних підсистем. Відповідні компоненти системи включають водневий циркуляційний насос, водневий балон, зволожувач і повітряний компресор. Під час роботи паливні елементи виробляють багато води. Занадто низький вміст води призведе до явища під назвою «суха плівка», яка перешкоджає передачі протонів. Надмірний вміст води може призвести до «заболочування», що перешкоджає дифузії газу в пористому середовищі, що призводить до низької вихідної напруги реактора. Накопичення газу-домішки (N2), що проникає з боку катода до анода, перешкоджає контакту між воднем і шаром каталізатора, що призводить до локального «водневого голодування» та хімічної корозії. Таким чином, баланс води має велике значення для терміну служби реактора водневих паливних елементів PEM. Рішення полягає у введенні в реактор обладнання для циркуляції водню (циркуляційний насос, інжектор) для досягнення продування газу, повторного використання водню, зволоження водню та інших функцій.

Водневий циркуляційний насос може контролювати потік водню в режимі реального часу відповідно до умов роботи та покращувати ефективність використання водню. Однак «водневе окрихчення» легко виникнути в середовищі, що включає водень і вбрід. Явище замерзання при низькій температурі може призвести до того, що система не працюватиме нормально. Тому водневий циркуляційний насос повинен мати сильну водостійкість, стабільний вихідний тиск і безмасляну продуктивність, що важко підготувати та дорого виготовити. Тому були розроблені схеми одинарного і подвійного ежектора. Першому непросто підтримувати стабільність робочого процесу при високому/низькому навантаженні, системі пуск-зупинка, змінному навантаженні системи та інших робочих умовах, тоді як другий може адаптуватися до різних робочих умов, але має складну структуру та складний контроль [18]. Існують також деякі ежекторні та водневі циркуляційні насоси паралельно, схема ежектора та байпасного водневого циркуляційного насоса також має певні переваги та недоліки. У 2010 році американська технологічна консалтингова компанія запропонувала конструкцію системи водневого циклу, яка використовує повернутий вихлопний газ для зволоження введеного водню (без анодного зволожувача), що представляє напрямок розвитку майбутнього обладнання водневого циклу.

Повітряний компресор у системі водневих паливних елементів може забезпечити окислювач (повітря), який відповідає питомій потужності реактора. Він має такі переваги, як високий коефіцієнт тиску, малий об’єм, низький рівень шуму, велика потужність, відсутність масла та компактна структура. Загальний бортовий повітряний компресор на паливних елементах має типи відцентрового, гвинтового, спірального і так далі. В даний час гвинтові повітряні компресори широко використовуються, але відцентрові повітряні компресори мають більші перспективи застосування через їх гарну герметичність, компактну конструкцію, малу вібрацію та високу ефективність перетворення енергії. У ключових компонентах повітряного компресора, підшипника, двигуна є вузьким місцем технології, низька вартість, матеріал покриття для опору тертя також є центром розвитку. General Electric, United Technologies, Prager Energy, Xcellsis з Німеччини, Ballard Power Systems з Канади та Toyota Motor Corporation з Японії мають лінійки комерційних повітряних компресорів.