燃料電池的工作原理及系統(tǒng)組成

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電，已被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。那么，為什么要研究燃料電池？燃料電池的工作原理是什么？燃料電池的主要類型有哪些？當(dāng)前我國燃料電池的現(xiàn)狀及未來研發(fā)方向是什么？下面就由小編帶領(lǐng)大家走進燃料電池的世界。

1.為什么要研究燃料電池

氫燃料電池具有燃料能量轉(zhuǎn)化率高、噪音低以及零排放等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。從燃料電池在載人航天、水下潛艇、分布式電站獲得應(yīng)用以來，燃料電池一直受到各國政府和企業(yè)的關(guān)注，在未來煤電占比相對較低的情況下，由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源技術(shù)規(guī)模的增大，整個上游的電源結(jié)構(gòu)會越來越清潔。與目前許多發(fā)電廠和乘用車使用的傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，燃料電池有幾個優(yōu)點：

第一，發(fā)電效率高達50%～60%，假如能夠結(jié)合形成循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率可以高達70%以上；

第二，相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，燃料電池對環(huán)境的污染程度更低；

第三，燃料電池因為內(nèi)部構(gòu)件少，在運行過程中不會產(chǎn)生較大的噪聲，一般噪聲為50dB～70dB。

2.工作原理及系統(tǒng)組成

2.1工作原理

燃料電池發(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。

圖1 燃料電池工作原理

2.2系統(tǒng)組成

燃料電池發(fā)電需要有一相對復(fù)雜的系統(tǒng)（圖2），除了燃料電池電堆外，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，其主要系統(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)與燃料電池電堆（或模塊）組成了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性給運行的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。

圖2 燃料電池系統(tǒng)組成

燃料電池堆

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

燃料電池性能隨著反應(yīng)物氣體壓力的增加而提高；因此，許多燃料電池系統(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。對于運輸應(yīng)用，空壓機的效率應(yīng)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(fù)電力。擴展機效率應(yīng)至少達到80%。

增濕器

PEM燃料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(cè)流動干燥的進口空氣和在另一側(cè)流動潮濕的排氣空氣，燃料電池產(chǎn)生的水可以被循環(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）燃料電池是當(dāng)前燃料電池汽車應(yīng)用研究的熱點。PEM燃料電池由幾層不同的材料制成。PEM燃料電池的主要部件如圖3所示。PEM燃料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電池包括墊片，它提供一個密封是防止泄漏的氣體，和雙相鋼板，用于組裝個人PEM燃料電池與燃料電池堆棧和提供氣體燃料和空氣的通道。

圖3 關(guān)鍵材料與部件

催化劑（catalyst）是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用是降低反應(yīng)的活化能，促進氫、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，是燃料電池總反應(yīng)的控制步驟。目前，燃料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)物的重要作用，在制備CCM型膜電極時也被作為催化劑支撐體，是燃料電池的核心器件，也是決定燃料電池性能、壽命及成本的關(guān)鍵部件。在實際應(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)與機械穩(wěn)定性。

膜電極組件（membrane electrode assembly MEA）是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件，也是燃料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提供膜電極產(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。

圖4 MEA制備技術(shù)路線

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

燃料電池電堆（Fuel Cell Stack）是燃料電池發(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)計的方式（如串并聯(lián)）流過每節(jié)單電池。燃料電池電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。

3.燃料電池的主要類型

通常情況下，燃料電池可以分為磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶酶碳酸鹽燃料電池等，如表1所示。近年來，隨著對燃料電池研究的日益深入，逐漸誕生了直接碳燃料電池、微生物燃料電池、直接甲醇燃料電池、葡萄糖/O2酶燃料電池等等。在上述種類中，最早被開發(fā)的燃料電池為磷酸燃料電池和堿性燃料電池，也被稱為第一代燃料電池，發(fā)展至今已經(jīng)擁有較為成熟的技術(shù)。而第二代燃料電池為熔融碳酸鹽燃料電池，第三代燃料電池為固體氧化物燃料電池。

表1 燃料電池分類

4.當(dāng)前現(xiàn)狀及未來研發(fā)方向

我國在整車、系統(tǒng)和電堆方面均已有所布局，但零部件方面的相關(guān)企業(yè)仍較少，特別是最基本的關(guān)鍵材料和部件，如質(zhì)子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環(huán)泵等；國內(nèi)雖有相關(guān)企業(yè)開始介入，但與國際先進產(chǎn)品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關(guān)鍵零部件及關(guān)鍵材料仍依賴進口。

燃料電池汽車雖然發(fā)展迅速，但從商業(yè)化要求角度，中國車用燃料電池技術(shù)上仍然存在一定差距，未來需加強對以下幾個方面的布局：

1）提高燃料電池電堆性能與比功率。目前，國內(nèi)燃料電池車電堆的功率級別還普遍偏低。國內(nèi)車用燃料電池堆主要以30～50 kW為主，與國際上乘用車的燃料電池功率級別100 kW左右相差甚遠。

2）提高燃料電池的耐久性。提高燃料電池堆及系統(tǒng)的耐久性，是燃料電池商業(yè)化的前提。目前，提高系統(tǒng)控制策略是提高燃料電池車耐久性的有效途徑之一。

3）降低燃料電池的成本。建議要發(fā)展低成本的材料與部件，例如低Pt催化劑與膜電極、低成本的雙極板和系統(tǒng)部件，并實現(xiàn)量產(chǎn)，以降低電堆與系統(tǒng)成本。

4）加強關(guān)鍵材料與核心部件批量生產(chǎn)技術(shù)。這嚴重制約了我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展，加強上述關(guān)鍵材料核心部件的技術(shù)轉(zhuǎn)化，加快形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的批量制備技術(shù)和建立產(chǎn)品生產(chǎn)線，全面實現(xiàn)關(guān)鍵材料核心部件的國產(chǎn)化與批量生產(chǎn)。
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