工作原理及系統(tǒng)組成

工作原理

燃料動力電池發(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（圖1）。但與原電池不同的是，燃料動力電池中的反應(yīng)物并非預(yù)先存儲于電池內(nèi)部，而是在發(fā)生反應(yīng)時通入燃料氣和氧化氣反應(yīng)后并排出生成物，因此，燃料動力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。

系統(tǒng)組成

燃料動力電池發(fā)電要有一相對復(fù)雜的系統(tǒng)，除了燃料動力電池電堆外，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，其重要系統(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)與燃料動力電池電堆（或模塊）組成了燃料動力電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料動力電池系統(tǒng)的復(fù)雜性給運(yùn)行的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。

燃料動力電池堆是燃料動力電池動力系統(tǒng)的核心。它通過燃料動力電池中的電化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)直流電（DC）。單個燃料動力電池出現(xiàn)的電流小于1v，因此，單個的燃料動力電池通常被串聯(lián)成一個燃料動力電池堆，一個典型的燃料動力電池堆可能由數(shù)百個燃料動力電池組成。燃料動力電池出現(xiàn)的能量取決于幾個因素，如燃料動力電池類型、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)換成燃料動力電池可用的形式。根據(jù)燃料和燃料動力電池類型的不同，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)用的要。燃料動力電池以直流電（DC）的形式發(fā)電。在直流電路上，電子只向一個方向流動。假如燃料動力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)

燃料動力電池性能隨著反應(yīng)物氣體壓力的新增而提高；因此，許多燃料動力電池系統(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。關(guān)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燃料動力電池的核心聚合物電解質(zhì)膜在干燥時不能很好地工作，因此許多燃料動力電池系統(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，燃料動力電池出現(xiàn)的水可以被循環(huán)利用，以保持PEM良好的水化。

2.3關(guān)鍵材料與部件

聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料動力電池是當(dāng)前燃料動力電池汽車應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。PEM燃料動力電池由幾層不同的材料制成。PEM燃料動力電池的重要部件如圖3所示。PEM燃料動力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動力電池包括墊片，它供應(yīng)一個密封是防止泄漏的氣體，和雙相鋼板，用于組裝個人PEM燃料動力電池與燃料動力電池堆棧和供應(yīng)氣體燃料和空氣的通道。

催化劑（catalyst）是燃料動力電池的關(guān)鍵材料之一，其用途是降低反應(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，是燃料動力電池總反應(yīng)的控制步驟。目前，燃料動力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，在燃料動力電池中起著傳導(dǎo)質(zhì)子、隔離陰極和陽極反應(yīng)物的重要用途，在制備CCM型膜電極時也被作為催化劑支撐體，是燃料動力電池的核心器件，也是決定燃料動力電池性能、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（membraneelectrodeassemblyMEA）是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，也是燃料動力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（圖4）。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供應(yīng)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。

燃料動力電池雙極板的用途是傳導(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動力電池酸性（pH=2～3）、電位（～1.1V）、濕熱（氣水兩相流，～80℃）環(huán)境下具有耐腐蝕性且對燃料動力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。燃料動力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。

燃料動力電池電堆（FuelCellStack）是燃料動力電池發(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。燃料動力電池電堆的均一性是制約燃料動力電池電堆性能的重要因素。