Honda Clarity yakıt hücreli araç yığını yapısının derinlemesine analizi
Yakıt hücresi geliştiren dünyanın ilk otomobil üreticilerinden biri olan Honda Motor Company, 1980'lerin sonundan bu yana yakıt hücrelerinin araştırma ve geliştirmesine başladı ve 1999'dan beri yakıt hücreli araçlar üzerinde deneyler yapıyor. Şu anda, Honda'nın en yeni yakıt hücreli aracı olan FCV Clarity yığınının hacimsel güç yoğunluğu yaklaşık 3,1 kW / L olup, dünyanın lider seviyesine ulaşmaktadır. Araç yakıt hücrelerinin, yığının hacim güç yoğunluğu ve kütle güç yoğunluğu konusunda çok yüksek gereksinimleri vardır.
Bunlar arasında, yakıt hücresinin temel bileşenlerinden biri olarak, çift kutuplu plakanın ağırlığı, istif kütlesinin% 80'inden fazlasını oluşturur ve üretim maliyeti, toplam maliyetin yaklaşık% 29'unu oluşturur. Şu anda, akış alanı plakasının ve bipolar plakanın "tanımlanması" bir eğilimdir, yani akış alanı plakası hava iletimi, elektriksel iletkenlik, ısı iletimi ve destek gibi tüm fonksiyonları oynar Honda Clarity yakıt hücresi yığını bunlardan biridir. Bu makale, Honda Clarity'deki yakıt hücresi yığınının akış alanı yapısı ve yığın yapısı perspektifinden derinlemesine bir analizini yapacaktır.
Toyota Mirai
Hyundai ix35
Honda FCV Netlik
Şekil 1 Toyota, Hyundai ve Honda yakıt hücreli araçların güç sistemi düzeninin karşılaştırması
Honda FCV Clarity yakıt hücreli araçların güç sisteminin düzeni, Hyundai ix35 yakıt hücreli araçlara benzer.Yüksek entegre yakıt hücresi güç sistemi kaputun altına yerleştirilmiştir. Yakıt hücresi güç sisteminin entegrasyonu, her bir bileşenin verimli çalışmasına bağlıdır.Maksimum 103 kW'lık yakıt hücresi yığını ve iki aşamalı buster hava kompresörü, nemlendirici ve tahrik motoru, güç kontrol ünitesi sistemi tarafından kontrol edilir. Altında işbirliğine dayalı çalışmayı tamamlayın. Yüksek ağırlık ve hacim gereksinimleri olan otomobillerde, son derece entegre bir yakıt hücresi sistemi, yüksek hacimli güç yoğunluğuna ve yüksek kaliteli güç yoğunluğuna sahip bir yakıt hücresi yığını gerektirir. Bu nedenle, pilin yapısal tasarımı, yığının yüksek performanslı çıkışı için kritiktir.
Şekil 2 Honda yakıt hücreli araçların evrimi
Akış alanı tasarımı, reaksiyon gazının elektrokimyasal reaksiyon sahası katalitik katman üç fazlı arayüzüne zamanında, verimli ve tekdüze bir şekilde taşınıp taşınamayacağına ilişkindir. Ek olarak, mükemmel akış alanı tasarımı, yakıt hücresinin su yönetimi yetenekleriyle ilişkilidir.Örneğin, mevcut batarya mahyası (İngiliz kaburga veya kara), sırtın altındaki taşma olayını optimize etmek ve gaz kütlesi transfer etkisini arttırmak için daralmaktadır. Akış alanı yapısının veya pil yapısının makul tasarımı ve yerleşimi, yığın yapısının kompaktlığı, sıkılığı ve çıktı performansı ile ilgilidir.
1. Yığın hafif ve kompakttır
Pilin kalınlığını azaltmak için, katot ve anot gazı akış kanallarının ve MEA'nın kalınlığını azaltmak gerekir. Formüle göre, gaz akış kanalının derinliği = sıvı su Yapışma kuvveti / sıvı su Drenaj kuvveti. Hidrojen ve hava akış kanalları sığlaştığında veya inceldiğinde, ürün suyunun gaz akış kanalına yapışması büyük ölçüde artar, bu da akış kanalında su birikmesine ve boşaltılamamaya neden olur, böylece gaz kütle transferi engellenir ve performans düşer. Pil düzlemine giren üç ana katot ve anot gazı formu vardır, bunlar ileri akış, karşı akış ve çapraz akış. Honda'nın yakıt hücresi yapısının 2006 versiyonunda, katot ve anot gazlarının tümü, V-Flow yapısı olarak adlandırılan, yukarıdan aşağıya (yerçekimi kullanılarak) aşağı yönde akıyor. Yerçekiminin varlığı sıvı suyun deşarjına faydalıdır.V-Flow yapısı ile tasarlanan bataryada gaz akış kanalının kalınlığı% 17 azaltılmıştır.
Şekil 3 Honda'nın V-Flow yakıt hücresinin 2006 versiyonunun yapısal prensibi
En yeni nesil Clarity araçlarına monte edilen yakıt hücresi yığını gazı, yatay olarak zıt bir akış modunu benimser.İki MEA ve üç ayırıcı, benzersiz bir soğutma yapısı oluşturan bir pil ünitesi oluşturur. Şekil 7 ve 9'da gösterildiği gibi, FCV Clarity yakıt hücresi iki kutuplu plakası "üçü bir arada" formda birleştirildiği için, özel bir mekanizmanın tasarlanması gerekir - emme manifoldu, Şekil 11'in yeniden işleme kısmında gösterildiği gibi MEA yüzeyine. . Ek olarak, MEA'nın bağıl neminin homojenliğini koruyarak ve ıslatılabilirlik seviyesini düşürerek pilin kalınlığı daha da azaltılır. Bu yöntem, ürün suyunun sıvı suya yoğunlaşmasını, akış kanalında duvar yüzeyindeki su yapışmasını ve birikmesini büyük ölçüde azaltmasını veya hatta birikmesini önler. Honda'nın kamuya açık bilgilerine göre, düşük yük altında bile (su tıkanması, düşük yük ve yüksek yük altında meydana gelebilir), drenaj kuvveti ortadan kalkacak.
Şekil 4 Honda'nın yakıt hücresi V-Flow yapısının 2006 versiyonunun akış alanı formu
Şekil 5 Clarity yakıt hücresi "İki hücre başına bir soğutma katmanı" yapısı
Şekil 6 Clarity yakıt hücresinin yarı fiziksel diyagramı "İki hücre başına bir soğutma katmanı"
Şekil 7 Honda'nın patentindeki "İki hücre başına bir soğutma katmanı" yapısının şematik diyagramı
Şekil 8 Honda patentinde pilin düzeni
Clarity yakıt hücresinin akış alanı yapısı sayesinde, nemli hava giriş ucuna yeterli nem getirir ve ürün suyu katot çıkışına doğru hareket ederek işlem sırasında MEA'ya nem getirir; daha sonra nem MEA'dan geçerek anot tarafına geri yayılır. Anot tarafındaki girişi ıslatın; hem anot hem de katot tarafları nemi dolaştırma özelliğine sahiptir (anot tarafındaki ejektör ve katot tarafındaki nemlendirici gibi). Yukarıdaki şema aracılığıyla, elektrokimyasal reaksiyonun meydana geldiği MEA yüzeyindeki nem sirküle edilebilir ve üniform olarak dağıtılabilir.
Şekil 9 MEA'da difüzyon davranışı
Şekil 10 Gazın manifolddan akış kanalına düzgün dağılımı
Honda Clarity yakıt hücresine ait metal akış alanı plakasının özel yapısı ve damgalama işlemi sayesinde bir tarafı kesilir, diğer tarafı çıkıntı yapar, aynı akış alanı plakası üzerinde uygun bir katot ve anot akış kanalı dağılımı oluşturulabilir. Yukarıda bahsedilen akış alanı plakasını elde etmek için, MEA'nın dışında emme manifoldundan MEA'nın yüzeyine bir reçine yapısı tasarlanır. Reçine yapısı, katot ve anot gazı transfer kütlesini bir akış alanı plakasının her iki tarafında yapabilir (ilgilenen arkadaşlar birlikte tartışabilir).
2. Bipolar plakanın mekanik tasarımı
Honda'nın en son akış alanı plakası için, kalınlık azalması, özellikle araçlardaki karmaşık engebeli çalışma koşulları için Şekil 14'te gösterildiği gibi maddi hasarlara da yol açacaktır. Çalışan yakıt hücresi için, istifin her iki ucundaki uç plakalardan iletilen kenetleme kuvvetine ek olarak, iki kutuplu plaka ayrıca MEA malzemesinin reaksiyon gazı basıncı, soğutma suyu basıncı ve genleşmesinin (veya büzülmesinin) birleştirme etkisine de tabidir. Bu nedenle, bipolar plakanın mekanik özellikleri ve tasarım parametreleri çalışılmalıdır. İki kutuplu plakanın tasarım parametreleri, Şekil 11'de gösterildiği gibi Kanal aralığı, Düz uzunluk, Açı, Köşe R ve Kanal derinliğidir.
Şekil 11 Akış alanı plakasının (çift kutuplu plaka) tasarım parametreleri
Şekil 12 Honda patentinde yakıt hücresi yığın yapısının enine kesit görünümü
Şekil 13 Bipolar plakanın kuvvet analizi
Şekil 14 Akış alanı plakasının arıza fenomeni
Honda Motor Company, otomotiv yakıt hücreleri için metal çift kutuplu plakaların yapısal tasarımı için mekanik bir tasarım yöntemi geliştirdi. Bu yöntem, metal malzemelerin mekanik özelliklerine dayalı olarak paslanmaz çeliğin iş sertleştirme özelliklerine odaklanır ve metalin deformasyon değerinin değişmesi ile deformasyon davranışını tanımlar. FLD (oluşan limit diyagramı) yöntemi kullanılarak metal malzemenin efektif deformasyon aralığı, daha sonra malzemenin ölçülen fiziksel özellik parametreleri ile lokal gerinim değeri elde edilir. Ayrıca, mikro Vickers sertlik deneyi ile hesaplanan yerel gerinim değeri, yakıt hücresi çalışması sırasında mekanik gerilimi elde etmek için kullanılır.
Şekil 15 FLD
Şekil 16 FLD sonuçları
3. Darbe direncini artırın
Honda'nın yakıt hücresi güç sistemi ön kaputun altına yerleştirilmiştir.Toyota'nın yakıt hücresi yığınını merkezi koridorun altına yerleştirme yöntemiyle karşılaştırıldığında, önden çarpışmalara karşı darbe direncini artırmak gerekir. Bu nedenle, aşağıdaki yapı geliştirilmiştir: yakıt hücresi kümesinin her iki ucunu birbirine bağlayan bir bağlantı çubuğu (bağlantı çubuğu) yapılandırılır ve bağlantı çubuğunun girintisine geçmek için istif üzerinde bir çıkıntı sağlanır. Honda raporu, yukarıdaki tasarımın darbe direncini orijinalinin 4 katına çıkardığını gösteriyor. Bu yapı, darbe sırasında pilin sapmasını etkili bir şekilde önleyebilir, yığından hidrojen sızıntısını önleyebilir ve hidrojen güvenliğini koruyabilir.
Şekil 17: Honda'nın en son yığınının reçine çerçeveli MEA yapısı
Şekil 18 Pilin reçine ve sızdırmazlık yapısı
Şekil 19 Reçine yapı şeması
Şekil 20 Darbe direnci1
Şekil 21 Darbe direnci 2
Honda yakıt hücresinin yığın yapısı tasarımı ve MEA iyileştirmesi gibi bir dizi önlem sayesinde Clarity model yakıt hücresi yığınının hacmi, FCX yakıt hücresinden% 30 daha düşük ve sınırlayıcı akım yoğunluğu 1,5 katına çıkarıldı. Güç de 1,5 kat artırıldı ve yığının hacimsel güç yoğunluğu dünyanın lider seviyesi -3,1 kW / L'ye ulaştı. Yığının çıkış performansı (güç üretim performansı), düşük sıcaklıkta başlatma kapasitesi ile kesinlikle pozitif bir korelasyon içindedir. Honda Clarity yakıt hücresi yığınının minyatürleştirilmesi ve MEA'nın iyileştirilmesi, ısı kapasitesini büyük ölçüde azaltır.Düşük sıcaklıklarda başladıktan sonra,% 50 çıkış gücüne ulaşma süresi yarı yarıya azalır.
Figür 20
Şekil 21 Honda FCV Clarity yakıt hücreli araç üzerindeki yakıt hücresi yığınının görünümü
4. Literatür, teknik raporlar ve patent kaynakları
Bu makale ile ilgili resimler ve bilgiler Honda tarafından verilen teknik raporlar ve patentlerden derlenmiştir. İlgili patentler US2012270137A1, US2013196249A1, US2014234742A1, US2012178004A1, US2014248549A1, US2014162163A1, US9941541B2, US20150072258A1, US9548502B2, vb.
Teknik raporlar çoğunlukla Honda RD Teknik İncelemesinden gelir.
Yakıt Pilinde Yazar / Doktora
