燃料電池システムの概要

燃料電池システムは、燃料電池原子炉を核として、各サブシステムから燃料と酸化剤を供給して原子炉に入れて反応させ、電気エネルギーと純水を発生させ、冷却液循環を通じて原子炉の温度を維持する発電システムです。燃料電池システムを主要な動力源とする車両は、従来の内燃機関車や純粋な電気自動車に比べて、クリーン、高効率、水素充填時間の短さ、走行距離の長さなどの特徴があり、車両の使用感や環境に優しい性質を高めます。

【図1】燃料電池の動作図

燃料電池システムの典型的なタイプ

水素を陽極とするシステムに対して、燃料電池システムは水素-酸素システム、水素-空システム、再構成水素-空システムに分けられます。このうち、水素-酸素システムは技術的に難しく、純粋な酸素の蓄積に伴う体積と重量の増加のため、一般的に潜水艦や宇宙空間など、空気が手に入らない分野に限られています。難燃性シーリングゴムシリコン素材です

水素・空気システムを再構成し

水素の車載貯蔵の複雑さを避けるため、いくつかの燃料電池システムでは、ガソリン、メタノールなどの炭化水素燃料を車載再構成システムで反応させて水素を生成し、燃料電池の原子炉反応に供給することができます。しかし、車載の再編成システムは復雑で、水素を再編成するための条件が厳しく、発生した水素は浄化処理を行う必要があります。現在、このシステムの技術路線を適用する車両は少ないです。

水素宇宙システム

水素-空システムは車両に適用される最も一般的なシステムで、トヨタMIRAI、ホンダCLARITY、現代NEXO、上海栄威FCV950などが搭載しているのはすべて水素-空燃料電池システムです。車上応用の燃料電池システムの電力は一般的に30~100kWの間で、一般的に反応媒体加圧の燃料電池システムを採用します;この類のシステムは一般に空気サブシステム、水素サブシステム、熱管理サブシステムと制御システムからなります。この種のシステムの典型的なアーキテクチャを以下の図で示します。ゴム製品の相場です

【図2】典型的な水素・空燃料電池システムのアーキテクチャ図

空気サブシステムは一般的に空気フィルタ、空気圧縮機、空気冷却器、加湿器、空気路バルブなどの部品を含みます。外部の環境の空気は濾過器を通してろ過して、圧縮机とインタークーラーの協同働作の下で電気ヒープの働作に必要な気体の圧力と温度に達して、そして必要な時に加湿器を経て電気ヒープの陰極側に入って反応に参与します。また、空気路バルブは主に空気路流量配分と圧力調節に使用します。

水素サブシステムは一般的に、水素放射器と水素排出弁などの部品を含みます。車載水素供給システムから供給された水素は、インジェクターで調整された後、一定の圧力と流量で原子炉の陽極側に入って反応し、必要に応じて水素排出弁を開き、陽極側にたまった窒素と液体水を排出します。
熱管理サブシステムは一般的に冷却ポンプ、冷却器、ラジエータなどの部品で構成され、冷却液循環の条件下で原子炉反応により発生した熱をシステムの外に排出し、燃料電池原子炉の適切な反応温度を維持します。
制御サブシステムは、燃料電池システムコントローラ、各センサ、各アクチュエーターからなるのが一般的です。電流、電圧、温度、圧力などのセンサのリアルタイムの測定により、システムコントローラは現在のシステム状態に応じて一定の制御ポリシーで各アクチュエーターの動作を制御し、車両全体の電力要求に対する応答を実現します。

加湿方式

燃料電池の原子炉では、反応中に陽子交換膜が一定の湿度を維持して反応効率を高めなければならないため、反応媒体が一定量の水蒸気を原子炉に運ぶ必要があります。現在一般的な加湿には、外加湿と内加湿の2種類があります。

外の加湿は一般的に空気のサブシステムの中で加湿器を含んで、空気は加湿器を通った後に実現してより高い湿度で電気ヒープに入って反応に参与します。加湿器の働作原理は電気炉の反応で生成した水が加湿器側に入り、加湿器内で一定の交換の形で空気の入口側に入り、入口の空気の加湿を実現します。
内部加湿は、水素サブシステムに水素循環ポンプを組み込み、電気炉口の湿水素と入口の乾燥水素を混合して電気炉口の水素を加湿します。システムが水素サイクル内で加湿された場合、空気側の外湿なし運転が可能となり、システム集積度の向上とシステムコストの低減につながります。

車載用燃料電池システムの応用例

2014年、トヨタは世界初の商用燃料電池自動車「Mirai」を発表しました。

【図3】燃料電池車「MIRAI」の概略図

トヨタMiraiでは、空気側加湿器を廃止し、ヒープ構造とアノードの操作方式を最適化することで、カソードから発生した水をアノードに移動させてMEA上に均等に分布させるシステムを実現しています。
プロトン交換膜の厚さを薄くし、カソード側で発生した水の陽極への伝達を水素・空逆流方式で増やすなど原子炉構造の最適化、水素サイクル加湿と原子炉温度制御による原子炉の良好な熱水管理を実現しています。

【図4】トヨタMIRAI燃料電池システムの構成図

ホンダクラリティに搭載されている燃料電池システムは、高度に統合され、ボンネットの下に配置されています。外部加湿を採用し、空気は二段空気圧縮機で過給され、中冷で冷却された後、加湿器で加湿され、空気供給を実現します。水素システムは異なる大きさの2つの水素ボンベを通して水素供給を実現します。冷却流路は「one cooling per two cells」原則を採用して、安定して温度を運行します;原子炉の構造設計とMEA改良により、原子炉を軽量かつコンパクトにしました。原子炉と空気、水素、冷却サブシステムは制御システムの制御の下で効率的に連携して働きます。

【図5】ホンダ・クラリティ燃料電池車の概略図

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