我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-空气子系统1)

上一章主要介绍了燃料电池的电堆，电堆主要利用氢气与氧气的电化学反应将化学能转化为电能，但是氢气和氧气并不是储存在电堆内的，需要通过相应的系统将氢气与氧气输送到电堆内部，并将电堆产生的热量和水及时排出，相互协调确保燃料电池电堆的电化学反应能够正常、高效、可靠地工作的系统称为辅助系统，即BOP(Balance Of Plant)。  

电堆与BOP共同组成了燃料电池系统，BOP包括了空气子系统、氢气子系统、水热管理子系统及电子控制子系统，如图10-1所示。

图10-1典型的燃料电池系统架构图  

10-1空气子系统  

空气子系统的主要作用是对进入燃料电池的空气进行过滤、增湿、压力调节等方面的处理，保证燃料电池电堆的阴极侧温度、湿度、压力及流量在最佳范围内。  

相比于氢气子系统降压型控制，空气子系统是升压控制，需要空压机的外部做功来对空气进行加压，保证阴极侧有足够流量与压力的空气。  

此外，空气子系统构成相对较为复杂，控制机构较多，同时控制的流量与压力之间具有一定的耦合性，进而导致空气子系统成为燃料电池系统控制技术中的一个难点。目前最成熟且常用的是通过比例-积分-微分(PID)算法对空压机和背压阀进行协同控制。PID控制可以在燃料电池控制单元(fuel-cell control unit，FCU)中以较小的储存空间和计算资源实现对空气侧流量与压力的目标值实施追踪。  

PID（比例 - 积分 - 微分）算法是一种常见的反馈控制算法，用于将系统的输出值精确调整到目标值。它通过计算误差（目标值与实际值的差异）并应用三种校正机制（比例、积分、微分）来实现稳定控制。PID 控制器的输出由三部分组成：  

比例项（P）：与当前误差成比例，提供即时响应；  

积分项（I）：累积历史误差，消除稳态误差；  

微分项（D）：基于误差变化率预测未来趋势，减少超调。  

因为PID控制参数固定，所以在面对较为复杂的工况时，PID通常在响应速度和控制精度上难以同时达到较好的表现。因此，空气子系统的控制技术需要不断地进步。  

空气子系统主要关键部件包括但不限于，空压机、中冷器、加湿器、背压阀、节气门、各种传感器。  

10-1-1 空压机  

一般工业上使用的空压机往往体积大、动态响应慢，还有油的存在，这些都是燃料电池系统不能接受的。所以燃料电池系统对于空压机来说，有特殊的要求：  

1）无油，空气中含有油，会污染下游的元器件，导致催化剂中毒，电堆性能下降，甚至损坏。因此，燃料电池系统用的空压机需要采用水润滑轴承或空气轴承；  

2）效率高，因为空压机在辅助功率中占比高达80%，空压机的效率低的话，会降低燃料电池系统的输出性能；  

3）质量轻，体积小，体积过大则会占据大量的系统空间，对于本身就复杂的系统来说是个挑战，质量过大则会影响燃料电池的质量比功率密度；  

4）低噪音，空压机的噪音是系统中最大的噪音源之一，空压机的噪音需要被控制，以免影响舒适性；  

5）良好的动态响应能力，燃料电池的工况功率变化频繁，空压机需要无延迟地对空气流量和压力进行调整，以匹配输出的功率；  

6）喘振线在小流量区，可以实现燃料电池在小流量高压比的工况下高效的运行。  

对1-5项是比较好理解的，但对于第6项来讲，就需要花点时间来理解了。  

首先要知道什么是压力比，压力比就是空压机的出口压力与入口压力的比值，压力比大的空压机就能提供高压力的空气，有助于燃料电池的性能与效率。  

其次，什么是空压机的喘振？  

空压机的喘振是指在空压机运行过程中，当流量减少到某一特定值时，空压机内部出现的一种不稳定工作状态。  

当空压机的流量减少时，气流在叶轮和扩压器等部件中的流动状态发生变化。在叶片的非工作面上会出现气流分离现象，随着流量进一步减小，分离区逐渐扩大，直至形成一个充满旋涡的分离区，导致气流的流动阻力急剧增加。当阻力增加到一定程度时，气流无法 正常通过空压机，会出现瞬间的倒流现象。而倒流会使空压机内部的压力突然下降，当压力下降到一定程度后，外部压力又会使气流重新进入空压机，如此循环往复，就形成了喘振现象。  

喘振除了会影响到空压机自身的使用寿命，还会导致空压机输出的空气压力和流量不稳定，影响到燃料电池系统的正常运行，所以空压机的工作区域要在空压机喘振线的右侧，如图10-2所示。  

图10-1 典型的空压机性能曲线图  

在部分负载或低功率运行时，燃料电池对空气流量需求较小，但仍需一定压力来保证反应进行。当流量越小，压力比越大时，空压机就越容易进入喘振区域，这就要求喘振线的斜率增大，即要求喘振线在小流量区域。