燃料电池发动机BOP附件概述及技术演进

摘要：新时期以来，新能源汽车行业发展迅猛，并表现出显著的上升趋势。燃料电池发动机系统是新能源汽车中的重要组成部分，为保障新能源汽车产品质量，进一步推动行业发展，有必要对燃料电池发动机BOP附件进行研究，并对目前的基础发展趋势与变化情况进行系统探究。

关键词：燃料电池；发动机；空气供应系统

引言：汽车行业作为传统工业体系中的重要部分，在发展期间对能源资源的需求量也逐渐提升，为实现行业的可持续健康发展，人们开始对清洁能源展开深入研究，包括太阳能、风能与核能等，并提出燃料电池发动机技术。该技术以燃料电池堆为核心，在实际应用中能够为新能源汽车提供稳定的能源供应体系，同时提高行业对资源的利用效率。

1.燃料电池发动机BOP附件概述

1.1燃料电池发动机BOP附件构成

氢燃料电池汽车的核心为燃料电池发动机系统，而保证系统安全稳定运行的关键就是燃料电池发动机BOP附件，主要包括空气供应系统、氢气循环系统、水热管理系统、控制系统、氢气安全系统、辅助电源以及电能输出系统等，系统中的核心产品分别为空压机、循环泵、增湿器和电子水泵等。氢燃料电池电堆是氢燃料电池系统的核心，BOP维持电堆持续稳定安全地运行。氢燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成，包括燃料电池膜电极、双极板、集流板、绝缘板、端板、紧固件、密封圈等组。

1.2燃料电池发动机BOP附件工作原理

燃料电池通过电化学反应将氢气的化学能直接转化为电能，具有高效的能量转化率且无污染。获取氢能的主要方式和原理可以分为以下三类：（1）通过氢氧燃烧反应获取氢能，表现为热能形式：由于氢具有较高的发热值（约为1.4×105 KJ/kg，是汽油发热值的三倍），预先混合的氢气与氧气在燃烧区域反应，产生的热量可用于驱动内燃机的活塞运动以产生动力。这种方式的实际应用是氢燃料内燃机，用于替代传统燃油内燃机。（2）通过电化学反应获取氢能，表现为电能形式：在阳极，催化剂作用下氢分子分解为氢离子并释放电子，随后这些电子通过外部电路产生电流，而氢离子在阴极与氧气反应生成水，完成整个反应过程。此方式的实际应用是氢燃料电池，主要用来替代传统的锂电池。（3）通过热核反应获取氢能，以核能形式表现：氘和氚的聚变反应释放出大量热能，生成氦和中子，实际应用为核电站，利用核能产生的热量推动蒸汽涡轮发电机。

2.燃料电池发动机BOP附件技术演进趋势

2.1大功率

在燃料电池系统功率逐步增长的趋势下，BOP部件同样遭遇向高功率转化的考验。举例来说，随着系统功率级别的提高，对空压机的功率密度和效能提出更高的要求，以应对电堆对氧气需求的激增。这就要求空压机在构造上使用更高端的材料（比如轻盈且坚固的合金）、更加优化的流体通道设计以及更高效的电机驱动技术，目的是降低能量损耗，提升整体的运作效率。此外，在处理高功率运作时所带来的高温和震动问题，空压机的散热和减震设计也要相应提升，以保证其长期稳定的工作性能。与此同时，增湿器、电子水泵等其他附件也必须与大功率系统相匹配，以保证整个系统的平稳运作。

2.2降能耗

实现燃料电池技术的进步，节能减耗至关重要。随着BOP部件技术的持续革新，节能化趋势日益凸显。通过对部件的设计和制作流程进行精细优化，增强部件的能源利用率，有助于降低整个系统的能量耗损，进而提升燃料电池系统的综合效率。譬如，利用尖端的CFD（计算流体动力学）仿真技术，细致地重现流体运动状况，以此指导打造更为高效的流体通道设计。同时，通过对热交换效率的优化和热损耗的降低，保证燃料电池堆在理想的工作温度区间内稳定运行，防止能量的不必要消耗。

2.3技术创新

技术革新成为BOP附件技术发展的核心推动力。涉及技术革新的范畴，涵盖先进材料的运用、生产流程的优化以及智能控制技术的引入等众多领域的深入研究和实践。譬如，利用高效率陶瓷材料生产的空压机轴承和密封部件，不仅展现出卓越的耐磨损和抗腐蚀特性，同时还能在高温条件下维持性能稳定，有效提升空压机的使用周期。另外，耐高温的合金材料也被广泛应用于氢循环泵和增湿器等组件，增强这些部件在高温工况下的可靠性，保障燃料电池系统的长期高效运作。智能化控制技术也是BOP附件技术革新的关键路径之一。通过融合传感器、执行机构以及控制器等智能化部件，BOP附件得以实现参数的精准监控、自动调整以及故障的自检功能。例如，在空压机内安装的压力传感器和温度传感器能够对设备运行状态和性能指标进行实时追踪，并依据实际情况进行自动调整以实现性能的最优化。

3.燃料电池发动机BOP附件关键技术演进

3.1 空压机

空压机是燃料电池系统中的重要部件之一，其性能直接影响燃料电池系统的效率和寿命。随着技术的发展，空压机经历从单级压缩到多级压缩的演进过程。目前，两级压缩离心式空压机由于优势明显，是空压机领域的应用主流。然而，随着燃料电池系统功率的增大，两级压缩离心式空压机的功耗也会增大。因此，采用透平能量回收技术路线的空压机产品正在逐渐成为研发热点。这种空压机可以通过回收电堆出口尾气的能量来降低功耗，提高系统效率。

3.2 氢循环部件

氢循环部件主要包括氢循环泵和引射器两类。在大功率发展趋势下，多数研发大功率系统的厂家在氢循环系统方面选择的技术路线是氢气循环泵+引射器。这种技术路线可以满足超大功率系统的需求，并且具有较高的实用性和可靠性。同时，随着技术的不断进步，氢循环泵和引射器的性能也在不断提升。

3.3 增湿器

增湿器作为燃料电池系统的一个关键组件，其主要作用是维持电池堆的湿润程度。目前，在适配大型功率系统的领域，已经有若干厂商推出专门为240kW系统设计的增湿器，并且正在进行性能确认。在原材料的选用上优先考虑耐高温、抗腐蚀且具有良好透过性的创新膜材料，这不仅提升增湿器的加湿效率，还大幅提高其耐用性，从而延长使用寿命。此外，通过对流道进行精细优化以及运用尖端的温度管理技术，能够精确地控制湿度和温度，保证电池堆内湿度的均匀性与稳定性，有效避免因湿度变化导致的性能衰减和潜在的损坏风险。

3.4 电子水泵

电子水泵是燃料电池系统中用于水热管理的重要部件。在适配大功率系统方面，电子水泵的技术难度相对较小，已经有多家企业研发完成匹配200-300kW的电子水泵，并且已经开模具小批量出货。然而，由于大功率系统电子水泵样机供应不足的问题仍然存在，因此电子水泵的技术研发和生产仍需继续加强。

结语：综上所述，燃料电池发动机BOP附件对燃料电池性能具有直接影响作用，对其技术发展趋势分析，有利于燃料电池发动机的未来发展，同时对新能源汽车的创新发展提供一定的指引和帮助。

参考文献：

[1]廖世军.高性能长寿命燃料电池发动机系统的开发研制[J].科技成果管理与研究，2022（1）：2.

[2]张胜雷.车用燃料电池发动机用增湿器发展现状及趋势[J].汽车实用技术，2024，49（6）：38-42.

侯金铭，1991.12，男，吉林省长春市，本科，商用车电气系统设计