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，電解質隔膜兩側分別發(fā)生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，反應產物為水（圖1）。但與原電池不同的是，燃料動力電池中的反應物并非預先存儲于電池內部，而是在發(fā)生反應時通入燃料氣和氧化氣反應后并排出生成物，因此，燃料動力電池并非能量存儲裝置而屬于轉化裝置，在反應過程中其電極和電解質并未直接參與到反應中。

系統(tǒng)組成

燃料動力電池發(fā)電要有一相對復雜的系統(tǒng)，除了燃料動力電池電堆外，還包括燃料供應子系統(tǒng)、氧化劑供應子系統(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、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)的復雜性給運行的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。

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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反應出現直流電（DC）。單個燃料動力電池出現的電流小于1v，因此，單個的燃料動力電池通常被串聯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百個燃料動力電池組成。燃料動力電池出現的能量取決于幾個因素，如燃料動力電池類型、電池尺寸、工作溫度和供應給電池的氣體壓力。

燃料處理器

燃料處理器將燃料轉換成燃料動力電池可用的形式。根據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的吸附劑床，或多個反應堆和吸附劑的組合。

功率調節(jié)器

功率調節(jié)包括控制電流（安培數）、電壓、頻率等電流特性，以滿足應用的要。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備供電，則必須將直流電轉換為交流電。

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空氣壓縮機

燃料動力電池性能隨著反應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，它可以將進口空氣壓力提高到環(huán)境大氣壓力的2～4倍。關于運輸應用，空壓機的效率應至少達到75%。在某些情況下，還包括一個膨脹器，以從高壓廢氣中恢復電力。擴展機效率應至少達到80%。

增濕器

PEM燃料動力電池的核心聚合物電解質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流動干燥的進口空氣和在另一側流動潮濕的排氣空氣，燃料動力電池出現的水可以被循環(huán)利用，以保持PEM良好的水化。

2.3關鍵材料與部件

聚合物電解質膜（PEM）燃料動力電池是當前燃料動力電池汽車應用研究的熱點。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氣體燃料和空氣的通道。

催化劑（catalyst）是燃料動力電池的關鍵材料之一，其用途是降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應速率。由于氧還原反應（ORR）交換電流密度低，是燃料動力電池總反應的控制步驟。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）載體上的擔載型催化劑。

質子交換膜是一種聚合物電解質膜，在燃料動力電池中起著傳導質子、隔離陰極和陽極反應物的重要用途，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、壽命及成本的關鍵部件。在實際應用中，要求質子交換膜具有高的質子傳導率和良好的化學與機械穩(wěn)定性。

膜電極組件（membraneelectrodeassemblyMEA）是集膜、催化層、擴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，國際上已經發(fā)展了3代MEA技術路線（圖4）。其中第一代、第二代技術已基本成熟，國內新源動力、武漢新能源等公司均可以供應膜電極產品。第三代有序化膜電極技術國內外還處于研究階段。

燃料動力電池雙極板的用途是傳導電子、分配反應氣并協助排出生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強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助電池生成水的排出；從產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，電堆通常由數百節(jié)單電池串聯而成，而反應氣、生成水、冷劑等流體通常是并聯或按特殊設計的方式（如串并聯）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。