燃料电池的工作原理及系统组成

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。那么，为什么要研究燃料电池？燃料电池的工作原理是什么？燃料电池的主要类型有哪些？当前我国燃料电池的现状及未来研发方向是什么？下面就由小编带领大家走进燃料电池的世界。

1.为什么要研究燃料电池

氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。从燃料电池在载人航天、水下潜艇、分布式电站获得应用以来，燃料电池一直受到各国政府和企业的关注，在未来煤电占比相对较低的情况下，由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增大，整个上游的电源结构会越来越清洁。与目前许多发电厂和乘用车使用的传统燃烧技术相比，燃料电池有几个优点：

第一，发电效率高达50%～60%，假如能够结合形成循环发电系统，其发电效率可以高达70%以上；

第二，相比于传统的火力发电，燃料电池对环境的污染程度更低；

第三，燃料电池因为内部构件少，在运行过程中不会产生较大的噪声，一般噪声为50dB～70dB。

2.工作原理及系统组成

2.1工作原理

燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图 1）。但与原电池不同的是，燃料电池中的反应物并非预先存储于电池内部，而是在发生反应时通入燃料气和氧化气反应后并排出生成物，因此，燃料电池并非能量存储装置而属于转化装置，在反应过程中其电极和电解质并未直接参与到反应中。

图1 燃料电池工作原理

2.2系统组成

燃料电池发电需要有一相对复杂的系统（图2），除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等，其主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆（或模块）组成了燃料电池发电系统。燃料电池系统的复杂性给运行的可靠性带来了挑战。

图2 燃料电池系统组成

燃料电池堆

燃料电池堆是燃料电池动力系统的核心。它通过燃料电池中的电化学反应产生直流电（DC）。单个燃料电池产生的电流小于1v，因此，单个的燃料电池通常被串联成一个燃料电池堆，一个典型的燃料电池堆可能由数百个燃料电池组成。燃料电池产生的能量取决于几个因素，如燃料电池类型、电池尺寸、工作温度和供应给电池的气体压力。

燃料处理器

燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的形式。根据燃料和燃料电池类型的不同，燃料处理器可以是一个简单的去除杂质的吸附剂床，或多个反应堆和吸附剂的组合。

功率调节器

功率调节包括控制电流（安培数）、电压、频率等电流特性，以满足应用的需要。燃料电池以直流电（DC）的形式发电。在直流电路上，电子只向一个方向流动。如果燃料电池被用来为使用交流电的设备供电，则必须将直流电转换为交流电。

空气压缩机

燃料电池性能随着反应物气体压力的增加而提高；因此，许多燃料电池系统都包括一个空气压缩机，它可以将进口空气压力提高到环境大气压力的2～4倍。对于运输应用，空压机的效率应至少达到75%。在某些情况下，还包括一个膨胀器，以从高压废气中恢复电力。扩展机效率应至少达到80%。

增湿器

PEM燃料电池的核心聚合物电解质膜在干燥时不能很好地工作，因此许多燃料电池系统都为进气口安装了加湿器。加湿器通常由一层薄膜组成，该薄膜可以由与PEM相同的材料制成。通过在加湿器的一侧流动干燥的进口空气和在另一侧流动潮湿的排气空气，燃料电池产生的水可以被循环利用，以保持PEM良好的水化。

2.3 关键材料与部件

聚合物电解质膜（PEM）燃料电池是当前燃料电池汽车应用研究的热点。PEM燃料电池由几层不同的材料制成。PEM燃料电池的主要部件如图3所示。PEM燃料电池的核心是膜电极组件（MEA），包括膜、催化剂层和气体扩散层（GDLs）。硬件组件用于一个意味着合并到燃料电池包括垫片，它提供一个密封是防止泄漏的气体，和双相钢板，用于组装个人PEM燃料电池与燃料电池堆栈和提供气体燃料和空气的通道。

图3 关键材料与部件

催化剂（catalyst）是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。由于氧还原反应（ORR）交换电流密度低，是燃料电池总反应的控制步骤。目前，燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C，由Pt的纳米颗粒分散到碳粉（如XC-72）载体上的担载型催化剂。

质子交换膜是一种聚合物电解质膜，在燃料电池中起着传导质子、隔离阴极和阳极反应物的重要作用，在制备CCM型膜电极时也被作为催化剂支撑体，是燃料电池的核心器件，也是决定燃料电池性能、寿命及成本的关键部件。在实际应用中，要求质子交换膜具有高的质子传导率和良好的化学与机械稳定性。

膜电极组件（membrane electrode assembly MEA）是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，也是燃料电池的核心部件之一。目前，国际上已经发展了3代MEA技术路线（图4）。其中第一代、第二代技术已基本成熟，国内新源动力、武汉新能源等公司均可以提供膜电极产品。第三代有序化膜电极技术国内外还处于研究阶段。

图4 MEA制备技术路线

燃料电池双极板的作用是传导电子、分配反应气并协助排出生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；从性能的稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性（pH=2～3）、电位（～1.1 V）、湿热（气水两相流，～80℃）环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性，具有一定的憎水性协助电池生成水的排出；从产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。燃料电池常采用的双极板材料包括硬碳板、复合双极板、金属双极板3大类。

燃料电池电堆（Fuel Cell Stack）是燃料电池发电系统的核心。通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆通常由数百节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式（如串并联）流过每节单电池。燃料电池电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。

3.燃料电池的主要类型

通常情况下，燃料电池可以分为磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶酶碳酸盐燃料电池等，如表1所示。近年来，随着对燃料电池研究的日益深入，逐渐诞生了直接碳燃料电池、微生物燃料电池、直接甲醇燃料电池、葡萄糖/O2酶燃料电池等等。在上述种类中，最早被开发的燃料电池为磷酸燃料电池和碱性燃料电池，也被称为第一代燃料电池，发展至今已经拥有较为成熟的技术。而第二代燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池，第三代燃料电池为固体氧化物燃料电池。

表1 燃料电池分类

4.当前现状及未来研发方向

我国在整车、系统和电堆方面均已有所布局，但零部件方面的相关企业仍较少，特别是最基本的关键材料和部件，如质子交换膜、碳纸、催化剂、空压机、氢气循环泵等；国内虽有相关企业开始介入，但与国际先进产品相比，可靠性和耐久性仍存在较大差距，大部分关键零部件及关键材料仍依赖进口。

燃料电池汽车虽然发展迅速，但从商业化要求角度，中国车用燃料电池技术上仍然存在一定差距，未来需加强对以下几个方面的布局：

1）提高燃料电池电堆性能与比功率。目前，国内燃料电池车电堆的功率级别还普遍偏低。国内车用燃料电池堆主要以30～50 kW为主，与国际上乘用车的燃料电池功率级别100 kW左右相差甚远。

2）提高燃料电池的耐久性。提高燃料电池堆及系统的耐久性，是燃料电池商业化的前提。目前，提高系统控制策略是提高燃料电池车耐久性的有效途径之一。

3）降低燃料电池的成本。建议要发展低成本的材料与部件，例如低Pt催化剂与膜电极、低成本的双极板和系统部件，并实现量产，以降低电堆与系统成本。

4）加强关键材料与核心部件批量生产技术。这严重制约了我国氢能燃料电池产业的自主可控发展，加强上述关键材料核心部件的技术转化，加快形成具有完全自主知识产权的批量制备技术和建立产品生产线，全面实现关键材料核心部件的国产化与批量生产。
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