燃料電池工作原理及系統(tǒng)組成

1,、工作原理

燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似,，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，電子通過外電路作功,，反應(yīng)產(chǎn)物為水,。但與原電池不同的是，燃料電池中的反應(yīng)物并非預(yù)先存儲于電池內(nèi)部,，而是在發(fā)生反應(yīng)時(shí)通入燃料氣和氧化氣反應(yīng)后并排出生成物,，因此，燃料電池并非能量存儲裝置而屬于轉(zhuǎn)化裝置,，在反應(yīng)過程中其電極和電解質(zhì)并未直接參與到反應(yīng)中,。

2、系統(tǒng)組成

燃料電池發(fā)電需要有一相對復(fù)雜的系統(tǒng),，除了燃料電池電堆外,，還包括燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng),、水熱管理子系統(tǒng)及電管理與控制子系統(tǒng)等,，其主要系統(tǒng)部件包括空壓機(jī)、增濕器,、氫氣循環(huán)泵,、高壓氫瓶等，這些子系統(tǒng)與燃料電池電堆（或模塊）組成了燃料電池發(fā)電系統(tǒng),。燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性給運(yùn)行的可靠性帶來了挑戰(zhàn),。

燃料電池系統(tǒng)組成

燃料電池堆

燃料電池堆是燃料電池動力系統(tǒng)的核心。它通過燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電(DC),。單個燃料電池產(chǎn)生的電流小于1v,，因此，單個的燃料電池通常被串聯(lián)成一個燃料電池堆,，一個典型的燃料電池堆可能由數(shù)百個燃料電池組成,。燃料電池產(chǎn)生的能量取決于幾個因素，如燃料電池類型,、電池尺寸,、工作溫度和供應(yīng)給電池的氣體壓力。

燃料處理器

燃料處理器將燃料轉(zhuǎn)換成燃料電池可用的形式,。根據(jù)燃料和燃料電池類型的不同,，燃料處理器可以是一個簡單的去除雜質(zhì)的吸附劑床,，或多個反應(yīng)堆和吸附劑的組合。

功率調(diào)節(jié)器

功率調(diào)節(jié)包括控制電流（安培數(shù)),、電壓,、頻率等電流特性，以滿足應(yīng)用的需要,。燃料電池以直流電(DC)的形式發(fā)電,。在直流電路上，電子只向一個方向流動,。如果燃料電池被用來為使用交流電的設(shè)備供電,，則必須將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

空氣壓縮機(jī)

燃料電池性能隨著反應(yīng)物氣體壓力的增加而提高,；因此,，許多燃料電池系統(tǒng)都包括一個空氣壓縮機(jī),，它可以將進(jìn)口空氣壓力提高到環(huán)境大氣壓力的2～4倍,。對于運(yùn)輸應(yīng)用，空壓機(jī)的效率應(yīng)至少達(dá)到75%,。在某些情況下,，還包括一個膨脹器，以從高壓廢氣中恢復(fù)電力,。擴(kuò)展機(jī)效率應(yīng)至少達(dá)到80%,。

增濕器

PEM燃料電池的核心聚合物電解質(zhì)膜在干燥時(shí)不能很好地工作，因此許多燃料電池系統(tǒng)都為進(jìn)氣口安裝了加濕器,。加濕器通常由一層薄膜組成,，該薄膜可以由與PEM相同的材料制成。通過在加濕器的一側(cè)流動干燥的進(jìn)口空氣和在另一側(cè)流動潮濕的排氣空氣,，燃料電池產(chǎn)生的水可以被循環(huán)利用,，以保持PEM良好的水化。

3,、關(guān)鍵材料與部件

聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池是當(dāng)前燃料電池汽車應(yīng)用研究的熱點(diǎn),。PEM燃料電池由幾層不同的材料制成。PEM燃料電池的主要部件如圖所示,。

PEM燃料電池的核心是膜電極組件(MEA),，包括膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層(GDLs),。硬件組件用于一個意味著合并到燃料電池包括墊片,，它提供一個密封是防止泄漏的氣體，和雙相鋼板,，用于組裝個人PEM燃料電池與燃料電池堆棧和提供氣體燃料和空氣的通道,。

關(guān)鍵材料與部件

催化劑(catalyst)是燃料電池的關(guān)鍵材料之一,，其作用是降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氫,、氧在電極上的氧化還原過程,、提高反應(yīng)速率。由于氧還原反應(yīng)(ORR)交換電流密度低,，是燃料電池總反應(yīng)的控制步驟,。目前，燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C,，由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔(dān)載型催化劑,。

質(zhì)子交換膜是一種聚合物電解質(zhì)膜，在燃料電池中起著傳導(dǎo)質(zhì)子,、隔離陰極和陽極反應(yīng)物的重要作用,，在制備CCM型膜電極時(shí)也被作為催化劑支撐體，是燃料電池的核心器件,，也是決定燃料電池性能,、壽命及成本的關(guān)鍵部件。在實(shí)際應(yīng)用中,，要求質(zhì)子交換膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和良好的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性,。

膜電極組件是集膜、催化層,、擴(kuò)散層于一體的組合件,，也是燃料電池的核心部件之一。目前,，國際上已經(jīng)發(fā)展了3代MEA技術(shù)路線,。其中第一代、第二代技術(shù)已基本成熟,，國內(nèi)新源動力,、武漢新能源等公司均可以提供膜電極產(chǎn)品。第三代有序化膜電極技術(shù)國內(nèi)外還處于研究階段,。

MEA制備技術(shù)路線

燃料電池雙極板的作用是傳導(dǎo)電子,、分配反應(yīng)氣并協(xié)助排出生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導(dǎo)體,、具有一定的強(qiáng)度以及氣體致密性等,；從性能的穩(wěn)定性方面要求雙極板在燃料電池酸性（pH=2～3）、電位（～1.1 V）,、濕熱（氣水兩相流,，～80℃）環(huán)境下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相容無污染性，具有一定的憎水性協(xié)助電池生成水的排出；從產(chǎn)品化方面要求雙極板材料要易于加工,、成本低廉,。燃料電池常采用的雙極板材料包括硬碳板、復(fù)合雙極板,、金屬雙極板3大類,。

燃料電池電堆(Fuel Cell Stack)是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。通常為了滿足一定的功率及電壓要求,，電堆通常由數(shù)百節(jié)單電池串聯(lián)而成,，而反應(yīng)氣、生成水,、冷劑等流體通常是并聯(lián)或按特殊設(shè)計(jì)的方式（如串并聯(lián)）流過每節(jié)單電池,。燃料電池電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。

燃料電池主要類型

技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向