工作原理及系統(tǒng)組成

工作原理

燃料動(dòng)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(dòng)力電池中的反應(yīng)物并非預(yù)先存儲(chǔ)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，燃料動(dòng)力電池并非能量存儲(chǔ)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(dòng)力電池發(fā)電要有一相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，除了燃料動(dòng)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(dòng)力電池電堆（或模塊）組成了燃料動(dòng)力電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料動(dòng)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(dòng)力電池堆是燃料動(dòng)力電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心。它通過燃料動(dòng)力電池中的電化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)直流電（DC）。單個(gè)燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)的電流小于1v，因此，單個(gè)的燃料動(dòng)力電池通常被串聯(lián)成一個(gè)燃料動(dòng)力電池堆，一個(gè)典型的燃料動(dòng)力電池堆可能由數(shù)百個(gè)燃料動(dòng)力電池組成。燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)的能量取決于幾個(gè)因素，如燃料動(dòng)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(dòng)力電池可用的形式。根據(jù)燃料和燃料動(dòng)力電池類型的不同，燃料處理器可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的去除雜質(zhì)的吸附劑床，或多個(gè)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(dòng)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(gè)方向流動(dòng)。假如燃料動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)都包括一個(gè)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(gè)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(dòng)力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，因此許多燃料動(dòng)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(dòng)干燥的進(jìn)口空氣和在另一側(cè)流動(dòng)潮濕的排氣空氣，燃料動(dòng)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(dòng)力電池是當(dāng)前燃料動(dòng)力電池汽車應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。PEM燃料動(dòng)力電池由幾層不同的材料制成。PEM燃料動(dòng)力電池的重要部件如圖3所示。PEM燃料動(dòng)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(gè)意味著合并到燃料動(dòng)力電池包括墊片，它供應(yīng)一個(gè)密封是防止泄漏的氣體，和雙相鋼板，用于組裝個(gè)人PEM燃料動(dòng)力電池與燃料動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池總反應(yīng)的控制步驟。目前，燃料動(dòng)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(dòng)力電池中起著傳導(dǎo)質(zhì)子、隔離陰極和陽(yáng)極反應(yīng)物的重要用途，在制備CCM型膜電極時(shí)也被作為催化劑支撐體，是燃料動(dòng)力電池的核心器件，也是決定燃料動(dòng)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(dòng)力電池的核心部件之一。目前，國(guó)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(guó)內(nèi)新源動(dòng)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(guó)內(nèi)外還處于研究階段。

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