Thành phần hệ thống pin nhiên liệu hydro

Để duy trì hoạt động bình thường của lò phản ứng, hệ thống pin nhiên liệu hydro cũng cần sự hợp tác của hệ thống cung cấp hydro, hệ thống quản lý nước, hệ thống không khí và các hệ thống phụ trợ bên ngoài khác. Các thành phần hệ thống tương ứng bao gồm bơm tuần hoàn hydro, chai hydro, máy tạo độ ẩm và máy nén khí. Pin nhiên liệu tạo ra rất nhiều nước khi chúng hoạt động. Hàm lượng nước quá thấp sẽ tạo ra hiện tượng gọi là "màng khô", ngăn cản quá trình truyền proton. Hàm lượng nước quá cao có thể dẫn đến hiện tượng "ngập úng", cản trở sự khuếch tán khí trong môi trường xốp, dẫn đến điện áp đầu ra của lò phản ứng thấp. Sự tích tụ khí tạp chất (N2) xâm nhập từ cực âm sang cực dương cản trở sự tiếp xúc giữa hydro và lớp xúc tác, dẫn đến hiện tượng “đói hydro” cục bộ và ăn mòn hóa học. Do đó, sự cân bằng của nước có ý nghĩa rất lớn đối với tuổi thọ lò phản ứng của pin nhiên liệu hydro PEM. Giải pháp là đưa thiết bị tuần hoàn hydro (bơm tuần hoàn, vòi phun) vào lò phản ứng để làm sạch khí, tái sử dụng hydro, làm ẩm hydro và các chức năng khác.

Bơm tuần hoàn hydro có thể kiểm soát lưu lượng hydro trong thời gian thực theo điều kiện làm việc và cải thiện hiệu quả sử dụng hydro. Tuy nhiên, hiện tượng “giòn hydro” dễ xảy ra trong môi trường có hydro và lội nước. Hiện tượng đóng băng ở nhiệt độ thấp có thể khiến hệ thống không hoạt động bình thường. Do đó, bơm tuần hoàn hydro cần phải có khả năng chống nước mạnh, áp suất đầu ra ổn định và hiệu suất không dầu, rất khó chuẩn bị và sản xuất đắt tiền. Do đó, các sơ đồ phun đơn và phun kép đã được phát triển. Cái trước không dễ duy trì sự ổn định của quy trình làm việc dưới tải cao/thấp, dừng khởi động hệ thống, tải thay đổi hệ thống và các điều kiện làm việc khác, trong khi cái sau có thể thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau nhưng có cấu trúc phức tạp và khó kiểm soát [18]. Ngoài ra còn có một số máy phun và bơm tuần hoàn hydro song song, máy phun cộng với sơ đồ bơm tuần hoàn hydro bỏ qua, cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng biệt. Năm 2010, công ty tư vấn công nghệ Mỹ đã đề xuất thiết kế hệ thống chu trình hydro, sử dụng khí thải quay trở lại để làm ẩm hydro được bơm vào (không có máy tạo độ ẩm anode), thể hiện hướng phát triển của thiết bị chu trình hydro trong tương lai.

Máy nén khí trong hệ thống pin nhiên liệu hydro có thể cung cấp chất oxy hóa (không khí) phù hợp với mật độ năng lượng của lò phản ứng. Nó có ưu điểm là tỷ lệ áp suất cao, khối lượng nhỏ, tiếng ồn thấp, công suất lớn, không cần dầu và cấu trúc nhỏ gọn. Máy nén khí pin nhiên liệu phổ biến trên tàu có các loại ly tâm, trục vít, cuộn, v.v. Hiện nay, máy nén khí trục vít được sử dụng rộng rãi, nhưng máy nén khí ly tâm có nhiều triển vọng ứng dụng hơn vì độ kín khí tốt, cấu trúc nhỏ gọn, độ rung nhỏ và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Trong các thành phần chính của máy nén khí, vòng bi, động cơ là công nghệ nút cổ chai, chi phí thấp, vật liệu phủ chống ma sát cũng là trọng tâm của sự phát triển. General Electric, United Technologies, Prager Energy, Xcellsis của Đức, Ballard Power Systems của Canada và Toyota Motor Corporation của Nhật Bản đều có dòng sản phẩm máy nén khí thương mại.