空氣進排氣系統(tǒng)為電堆提供合適流量、溫度、壓力和濕度的潔凈空氣。常規(guī)的空氣進排氣系統(tǒng)的原理如圖一所示，主要包含空氣過濾器、空壓機、中冷器、增濕器和節(jié)氣門等幾個核心部件。空氣過濾器除了過濾物理顆粒物外，對一氧化氮和硫化物等有毒氣體也有一定的過濾作用;空壓機負責對空氣進行加壓，并根據(jù)電堆的需求與節(jié)氣門協(xié)調(diào)工作，保證進出電堆的空氣流量和壓力在合適的范圍;經(jīng)過空壓機之后，空氣溫度會增加到100 ℃以上，超過電堆的適用溫度，需要通過中冷器對壓縮空氣進行降溫;增濕器，通過電堆陰極出口的高溫高濕度的尾氣與空壓機出口的空氣進行濕熱交換，滿足電堆對空氣的濕度要求。

圖一 ：燃料電池發(fā)動機進排氣系統(tǒng)

近年來，隨著燃料電池發(fā)動機逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用階段，進一步提高其穩(wěn)定性與耐久性逐漸成為了研發(fā)的重點，也對空氣進氣系統(tǒng)提出了更高的要求。今天，小編選擇其中幾個重點方向與大家共同分享一下：

關(guān)機后密閉電堆陰極

燃料電池在關(guān)機后，陰極若有空氣殘留，其中的氧氣會穿過質(zhì)子膜，逐漸滲透進入陽極，這會導(dǎo)致開機后在陽極形成氫空界面，產(chǎn)生高的過電位，降解質(zhì)子膜中的催化劑碳載體，從而造成催化劑的損失，引起電堆性能與耐久的下降。

為了避免該狀況的發(fā)生，有必要對燃料電池電堆的陰極回路進行密閉，防止空氣的進入，同時在關(guān)機前消耗掉陰極殘留的氧氣，形成無氧環(huán)境。

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)在電堆陰極入口處設(shè)置有三向閥，控制陰極回路。在關(guān)機狀態(tài)，該三向閥可以密閉陰極回路，防止空氣進入電堆。

圖二：豐田Mirai使用三向閥封閉陰極回路系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)代在專利中也有相似的設(shè)計，采用一個組合三向閥控制陰極氣體的進入。在關(guān)機狀態(tài)時，三向閥打開旁通路，同時封閉電堆出入口。

圖三：現(xiàn)代汽車組合三向閥設(shè)計示意圖

啟停和怠速狀態(tài)下降低尾排氫氣濃度

氫氣的可燃極限(體積分數(shù))在4.0%——75.6%，這個范圍內(nèi)，氫氣可以在空氣中燃燒，甚至發(fā)生爆炸。根據(jù)汽車相關(guān)法規(guī)要求，尾氣排放中的可燃氣體濃度要低于最低可燃極限的75%，即氫氣的體積分數(shù)需要低于3.0%。

然而在燃料電池系統(tǒng)啟停過程中，經(jīng)常會排出較高濃度的氫氣，此時單純靠電堆陰極正常工作時排出的空氣流量不足以使氫氣濃度降低至3.0%。如果直接增大陰極的空氣流量，又存在破壞電堆內(nèi)水平衡進而影響耐久性的風險。因此，為了提升燃料電池發(fā)動機的安全性同時保證其耐久性，在啟停和怠速階段，需要有額外的空氣補充進來稀釋尾排內(nèi)的氫氣濃度。

現(xiàn)代NEXO和之前所展示的豐田Mirai均具有該功能，通過三向閥控制進入電堆的空氣比例，使部分空氣直接進入排氣管，從而降低其中的氫氣體積分數(shù)。

圖四：現(xiàn)代NEXO陰極回路設(shè)計示意圖

此外，對于目前采用離心式空壓機的系統(tǒng)，還可令其在電堆功率較低時，維持較大的流量，并通入旁通路，可以有效的避免空壓機喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

更靈活的水管理

燃料電池電堆的質(zhì)子膜需要在濕潤狀態(tài)下才能正常地傳輸氫質(zhì)子。在電堆自身產(chǎn)水不足的工況下，如果進入電堆的氣體過于干燥則會迅速帶走大量的水，從而影響電堆的性能。典型的空氣進氣系統(tǒng)，在陰極回路通常會設(shè)置增濕器，為電堆提供一定濕度的氣體。然而，在電堆本身產(chǎn)水過剩的工況下，進入電堆的空氣濕度過高則會使其帶出水的能力下降，而過多的水在電堆內(nèi)積累有可能導(dǎo)致膜電極水淹，從而造成局部熱點甚至反極等問題的出現(xiàn)。因此，為了對電堆進行更靈活的水管理，需要實時地對陰極進氣的濕度進行調(diào)節(jié)。

本田CLARITY燃料電池系統(tǒng)的陰極回路具有加濕器，并與旁通閥并聯(lián)?；贑CM含水量和電堆阻抗的關(guān)系特性，依據(jù)測得的電堆阻抗，調(diào)節(jié)旁通閥開度，定量地控制進堆氣體濕度，確保電堆CCM含水量控制在最佳運行濕度的上限和下限內(nèi)，從而令堆內(nèi)濕度維持在適宜的水平。

圖五：本田Clarity濕度控制方案(本田Clarity技術(shù)報告)

此外，關(guān)機時燃料電池電堆中的水含量將會顯著影響其低溫啟動性能，較低的膜水含量會有利于電堆的低溫啟動性能，從而提升整個系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。本田的設(shè)計同樣也可以控制系統(tǒng)關(guān)機時的堆內(nèi)水含量，保障低溫啟動性能。

除了本田的陰極回路設(shè)計，現(xiàn)代汽車的相關(guān)專利中也有一項組合陰極閥設(shè)計，可以在實現(xiàn)密閉陰極回路、降低尾排氫氣濃度功能的同時，控制電堆關(guān)機時的水含量。

該設(shè)計通過控制組合陰極閥，在低溫關(guān)機時，使電堆陰極排出的氣體不經(jīng)過增濕器，直接進入大氣，從而快速排出堆內(nèi)水分，提升電堆的低溫啟動性能。

圖六：現(xiàn)代汽車組合陰極閥設(shè)計圖

氫途科技專注于燃料電池發(fā)動機的開發(fā)，以對標國際一流燃料電池系統(tǒng)為己任，針對以上討論的問題，已有成熟的解決方案，將在新一代發(fā)動機系統(tǒng)中進一步應(yīng)用驗證。