燃料电池系统的五个子系统解读

燃料电池系统的五个子系统

燃料电池系统主要由以下五个子系统组成：

1、燃料电池堆：是整个燃料电池系统的核心部分，负责电化学反应的发生。燃料电池堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，每个单体电池包括双极板和膜电极三合一组件（MEA），经过特定工艺组装后形成质子交换膜燃料电池堆。这里，催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸构成了膜电极，是电化学反应的关键部分。

2、空气供应子系统：其主要任务是对进入燃料电池的空气进行过滤、增湿、压力调节等处理，确保燃料电池电堆阴极侧的温度、湿度、压力及流量保持在最佳范围内，从而防止氧气的供应不足。该子系统通常包含空气滤清器、空压机/吹风机和空气增湿器等部件。

3、氢气供应子系统：主要作用是调整氢气的压力、对氢气进行加湿，以及为电堆及时提供充足的氢气。这个子系统包括氢气瓶、减压阀、电磁阀、氢气回流泵和氢气浓度传感器等关键部件。氢气瓶用于储存高压氢气，而氢气回流泵则负责回收电堆反应后剩余的氢气，提高氢气的能源利用率。

4、水热管理系统：该系统主要负责管理燃料电池工作产生的热量以及内部的水。水热管理系统的核心部件包括水泵、节温器、去离子器、散热器等，通过冷却水循环回路将燃料电池产生的热量带走并散发到环境中，从而维持电堆温度在80℃左右。同时，该系统还需确保质子膜内的水含量适中，以避免膜干涸或阴极淹没的问题。

5、水管理的核心任务是使膜电极（MEA）中具有合理的水含量，以保证氢离子能够良好的在膜中传导。如果质子膜内的水含量较少，便会导致质子传导受阻，造成欧姆极化过电位增大，极易引发膜干涸现象；但是电堆内的水又不能过多，否则又容易造成阴极淹没，导致反应气的传输受阻，增加了电堆的活化极化过电位与浓差极化过电位。

热管理的核心任务是将燃料电池的工作温度控制在安全合理的范围。如果工作温度过低，电堆的活化极化损失会增强，导致电堆的性能变差；如果工作温度过高，又容易导致膜水干，使欧姆极化损失加大，导致电堆性能下降。

电控系统：燃料电池发动机的电控系统主要由发动机控制器（FCU）及各种传感器构成，负责监控和控制整个燃料电池系统的运行状态，确保各子系统之间的协调工作和高效运行。

燃料电池系统工作原理

燃料电池系统的工作原理主要基于电化学反应，通过将燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）在燃料电池中进行反应，从而直接产生电能。以下是燃料电池系统工作原理的详细解释：

首先，燃料电池堆是整个系统的核心，它由多个单体电池组成，每个单体电池都包含阳极（燃料电极）、阴极（氧化剂电极）以及电解质层。当系统开始工作时，氢气作为燃料被输送到阳极，而氧气或空气作为氧化剂被输送到阴极。

在阳极，氢气在催化剂的作用下被分解为氢离子（H+）和电子（e-）。氢离子通过电解质层向阴极移动，而电子则通过外部电路流向阴极，形成电流。这个电流可以被用来驱动各种电气设备，从而实现了化学能向电能的转换。

同时，在阴极，氧气在催化剂的作用下与通过电解质层传递过来的氢离子以及通过外部电路到达的电子发生反应，生成水。这个过程中，电解质层起到了离子通道的作用，使得氢离子能够在阳极和阴极之间传递，从而维持电化学反应的持续进行。

燃料电池系统的其他子系统，如空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理系统和电控系统，则负责为燃料电池堆提供所需的反应条件，如合适的温度、湿度、压力和流量，以及确保系统的稳定运行和高效能量转换。

审核编辑：黄飞