Komponenty systému vodíkových palivových článkov

Na udržanie normálnej prevádzky reaktora potrebuje systém vodíkových palivových článkov aj súčinnosť systému zásobovania vodíkom, systému vodného hospodárstva, vzduchového systému a ďalších externých pomocných subsystémov. Zodpovedajúce komponenty systému zahŕňajú vodíkové obehové čerpadlo, vodíkovú fľašu, zvlhčovač vzduchu a vzduchový kompresor. Palivové články produkujú veľa vody, keď sú v prevádzke. Príliš nízky obsah vody spôsobí jav nazývaný „suchý film“, ktorý zabraňuje prenosu protónov. Nadmerný obsah vody môže mať za následok „zamokrenie“, ktoré bráni difúzii plynu v poréznom médiu, čo má za následok nízke výstupné napätie reaktora. Akumulácia plynu nečistôt (N2) prenikajúceho z katódovej strany na anódu bráni kontaktu medzi vodíkom a vrstvou katalyzátora, čo vedie k lokálnemu „hladovaniu vodíka“ a chemickej korózii. Rovnováha vody má preto veľký význam pre životnosť reaktora vodíkových palivových článkov PEM. Riešením je zavedenie zariadenia na cirkuláciu vodíka (obehové čerpadlo, injektor) do reaktora, aby sa dosiahlo čistenie plynu, opätovné použitie vodíka, zvlhčovanie vodíka a ďalšie funkcie.

Vodíkové obehové čerpadlo môže riadiť prietok vodíka v reálnom čase podľa pracovných podmienok a zlepšiť efektivitu využitia vodíka. V prostredí s vodíkom a brodením sa však ľahko vyskytuje „vodíkové skrehnutie“. Fenomén mrazu pri nízkej teplote môže spôsobiť, že systém nebude fungovať normálne. Preto musí mať vodíkové obehové čerpadlo silnú odolnosť voči vode, stabilný výstupný tlak a bezolejový výkon, čo je náročné na prípravu a nákladné na výrobu. Preto boli vyvinuté schémy jednoduchého ejektora a dvojitého ejektora. Prvý z nich nie je jednoduchý na udržanie stability pracovného toku pri vysokom/nízkom zaťažení, štart-stop systému, premenlivé zaťaženie systému a iné pracovné podmienky, zatiaľ čo druhý sa môže prispôsobiť rôznym pracovným podmienkam, ale má zložitú štruktúru a zložité ovládanie [18]. Existuje aj niekoľko paralelných ejektorových a vodíkových obehových čerpadiel, schéma ejektorového plus obtokového vodíkového cirkulačného čerpadla má tiež výrazné výhody a nevýhody. V roku 2010 americká technologická konzultačná spoločnosť navrhla návrh systému vodíkového cyklu, ktorý využíva vrátené výfukové plyny na zvlhčovanie vstrekovaného vodíka (bez anódového zvlhčovača), čo predstavuje smer vývoja budúceho zariadenia na vodíkový cyklus.

Vzduchový kompresor v systéme vodíkových palivových článkov môže poskytnúť okysličovadlo (vzduch), ktoré zodpovedá hustote výkonu reaktora. Má výhody vysokého tlakového pomeru, malého objemu, nízkej hlučnosti, veľkého výkonu, bez oleja a kompaktnej konštrukcie. Bežný palubný vzduchový kompresor palivových článkov má typy odstredivé, skrutkové, špirálové atď. V súčasnosti sú skrutkové vzduchové kompresory široko používané, ale odstredivé vzduchové kompresory majú viac aplikačných vyhliadok z dôvodu ich dobrej vzduchotesnosti, kompaktnej konštrukcie, malých vibrácií a vysokej účinnosti premeny energie. V kľúčových komponentoch vzduchového kompresora, ložísk, motora je prekážkou technológie, nízka cena a náterový materiál odolný proti treniu je tiež stredobodom vývoja. General Electric, United Technologies, Prager Energy, Xcellsis z Nemecka, Ballard Power Systems z Kanady a Toyota Motor Corporation z Japonska majú komerčné produktové rady vzduchových kompresorov.