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氫燃料電池電堆與系統(tǒng) |
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| Hydrogen Fuel Cell Stacks and Systems | ||
下面通過一個與真實(shí)燃料電池構(gòu)造相同的模型來介紹PEM燃料電池的構(gòu)造。由于單個PEM燃料電池輸出電壓不足1V，實(shí)際的燃料電池是多節(jié)電池串聯(lián)組成，稱為燃料電池電堆，簡稱電堆。 |
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| 1. 主要零部件 | ||
燃料電池電堆主要由雙極板、膜電極組件、密封墊片、排熱板、集電極、絕緣板、端蓋板等零件組成。 |
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| 1.1. 雙極板 | ||
電池電堆由多個單電池疊裝而成，電池之間的連接直接由極板完成，除了電池堆兩端的極板外，中間的極板一面是陽極，另一面是陰極，故稱為雙極板。雙極板也起電池間的隔離作用。 雙極板上有流道，是提供燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣或空氣）的通道。流道引導(dǎo)反應(yīng)氣體流動方向，確保反應(yīng)氣體均勻分配到電極的各處。反應(yīng)后剩余的反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的水經(jīng)過雙極板流道排出電池。雙極板兩面都有流道。 流道的路徑布置稱為流場，流場布置有多種類型，圖1展示了4種類型：單通道蛇形流場、平行流場、交指型流場、針狀流場。 |
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| 圖1：燃料電池雙極板流道類型 | ||
常用的流道結(jié)構(gòu)是蛇形流道，在圖3的模型電極板就是最簡單的蛇形流道極板。蛇形流道一般采用多通道形式，圖2是有3個通道的蛇形流道示意圖，實(shí)際的雙極板有更多的流道。 |
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雙極板材料必須是電與熱的良導(dǎo)體、具有一定的強(qiáng)度以及氣體致密性；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。 目前，制作氫燃料電池雙極板的材料主要分為三種：石墨、石墨-樹脂復(fù)合材料和金屬材料等。金屬材料應(yīng)用較多的是不銹鋼和鋁合金等。雙極板兩面結(jié)構(gòu)相同，可用兩片單面板背靠背疊在一起作為一片雙極板。金屬板沖壓制作的適合兩片拼合。 |
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| 圖2：燃料電池雙極板多通道流道 | ||
圖3是一塊燃料電池雙極板照片（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖3： 燃料電池雙極板 | ||
該雙極板采用多通道蛇形流道，圖上文字標(biāo)注是按該板是陽極板標(biāo)注的。板上有密封圈槽，密封膠圈直接鑲嵌在槽中，板間就不用密封墊片了。2塊板背靠背貼合就組成雙極板，一塊板的正面與反面加工成一樣也是一塊雙極板。 對于較大功率的燃料電池，需要在電池堆中插入多塊排熱板，排熱板插在2塊雙極板之間，有關(guān)排熱板在后面會介紹。冷卻液通過冷卻液通道流過排熱板，帶走熱量。圖4是帶有冷卻液通道孔的雙極板。（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖4： 燃料電池雙極板之二 | ||
圖5中左圖為本課件模型中的雙極板，右圖為模型中的排熱板。雙極板采用石墨-樹脂復(fù)合材料制作，板上有工作氣體的蛇形流道，為清晰起見只有3個流道。流道兩端有工作氣體通道孔。板上還有冷卻液通道孔與裝配螺栓孔。我們把只有一面有流道的稱為單極板，兩塊單極板背靠背組成雙極板。 由于燃料電池的發(fā)電效率為50%至60%，剩余能量變?yōu)闊崃浚源蠊β嗜剂想姵厣岱浅Ｖ匾话悴捎迷趦蓧K單極板之間插入排熱板來散熱，圖5右圖為排熱板。排熱板由鋁材制作，板上有排熱液流道，流道可采用多種類型，但為了減小流體阻力，多采用平行流道，流道兩端有冷卻液通道孔，冷卻液從一個孔進(jìn)，另一個孔出。排熱板可單獨(dú)使用也可兩塊面對面粘合成一塊使用。 目前流行的做法是直接在單極板背面制作排熱液流道，兩塊單極板背靠背組成雙極板，該雙極板就集成了排熱板，使結(jié)構(gòu)簡單，散熱效果更好。 對于小型燃料電池，可采用空氣冷卻；或每隔幾個電池插一塊排熱板（水冷）；對于微型燃料電池就不需要排熱板了，直接風(fēng)扇吹就行了。 |
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| 圖5： 燃料電池的雙極板與排熱板 |
| 1.2. 膜電極組件 |
實(shí)際的燃料電池是將質(zhì)子交換膜、催化層、擴(kuò)散層集成一體，稱為膜電極組件，是燃料電池的核心部件。 質(zhì)子交換膜 質(zhì)子交換膜是PEM燃料電池中一個非常重要的組件，它兼有隔膜和電解質(zhì)的作用。其隔膜作用就是阻止陰陽極之間氣體相通，防止氫氧混合發(fā)生爆炸；其電解質(zhì)的作用是僅使質(zhì)子通過，而使電子傳遞受阻，這樣電子就被迫通過外電路流動向外輸出電能。目前常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型固體聚合物，酸分子固定在聚合物上，不能自由移動，但質(zhì)子卻可自由地通過電解質(zhì)遷移，但是質(zhì)子的移動受質(zhì)子交換膜潤濕條件的制約，質(zhì)子交換膜潤濕越好，質(zhì)子傳遞阻力越小，也就越容易通過，相反，如果質(zhì)子交換膜干涸，質(zhì)子傳遞則受阻，燃料電池性能就下降，甚至損壞。當(dāng)然水也不能太多。 催化層 催化層的作用是使燃料和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，催化劑的好壞直接影響到燃料電池性能的好壞，目前催化劑多采用鉑（Pt），在催化電解水時表現(xiàn)出較高的電子傳輸能力和較小的過電勢以及比較適宜的氫原子吸附自由能，可以溫和地吸附氫原子并將氫氣從表面脫附，過電位接近零。Pt族等金屬及其合金在強(qiáng)酸性電解質(zhì)中有較高的穩(wěn)定性和催化活性，被廣泛采用。但這類催化劑非常昂貴，在燃料電池的成本中占較大比例。為了減少催化劑的用量，一般將催化劑做成粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，使其有足夠的比表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣反應(yīng)。 氣體擴(kuò)散層 氣體擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，它一方面為氣體從流道擴(kuò)散到催化層提供通道，另一方面對燃料電池的催化層起支撐的作用，氣體擴(kuò)散層孔隙率和孔徑是其兩個重要的參數(shù)。 圖6是真實(shí)膜電極組件照片（照片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖6： 燃料電池膜電極組件 |
圖7中左圖為本課件模型中的膜電極組件（帶邊框），膜電極組件由專業(yè)廠家生產(chǎn)。 |
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| 圖7： 燃料電池的膜電極組件與集電極板 |
| 1.3. 集電極、密封墊片、絕緣板 |
集電極板 圖7右圖是集電極板，集電極板為銅板制作，安裝在電池堆兩端，是電池堆的電力輸出端。 密封墊片 為了防止工作氣體與冷卻液的泄漏，在所有疊裝的零件之間都要墊密封墊片，密封墊片由專用橡膠片切成。目前許多燃料電池生產(chǎn)已不使用密封墊片，采用燃料電池專用密封膠粘合疊裝的零件，提高生產(chǎn)效率。我們的模型仍采用密封墊片，方便拆卸。圖8 左圖是密封墊片。 |
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| 圖8：燃料電池的密封墊片與絕緣墊片 |
絕緣墊片 絕緣墊片安裝在集電極板與端蓋之間，防止端蓋帶電。由絕緣性好，有一定彈性的合成材料制成。 |
| 1.4. 端板 |
兩塊端板安裝在燃料電池電堆兩端，通過螺栓壓緊電池堆。本模型端板由厚鋁板制作，板上有氫氣入口管、氫氣出口管、氧氣入口管、氧氣出口管、冷卻液入口管、冷卻液出口管與安裝螺栓孔。見圖9 |
| 圖9：燃料電池電堆端板 |
| 2 氫燃料電池堆組裝 |
為能在圖中較完整的顯示氫燃料電池堆的組成，本模型僅由3個單電池組成。在圖10中排列著主要零部件，為顯示清晰簡明，沒有顯示零件之間的密封墊片。左頭是左端板、絕緣板、陽極集電板（電池負(fù)極），由陽極板，膜電極組件，陰極板組成第一節(jié)電池，后面由同樣組成的2節(jié)電池，在每兩節(jié)電池間有一塊排熱板。右端還有陰極集電板（電池正極）、絕緣板、右端板，就不顯示了。 |
| 圖10：燃料電池堆主要零件排列 |
在圖11中排列著模型電池堆所有零件，陽極集電板與旁邊的陽極板采用導(dǎo)電密封膠粘接，陰極集電板與旁邊的陰極板采用導(dǎo)電密封膠粘接，其他零件之間均用密封墊片進(jìn)行密封。 |
| 圖11：燃料電池電堆零件排列（1） |
圖12是從另一個方向展示燃料電池堆的零件排列。 |
| 圖12：燃料電池電堆零件排列（2） |
把所有零件疊裝在一起，用8支螺栓壓緊零件，螺栓套有絕緣套管，保證所有零件間的絕緣。見圖13。 |
| 圖13：組裝好的燃料電池堆 |
圖14是某燃料電池電堆與外殼圖片（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖14： 燃料電池電堆 |
| 3 氫燃料電池系統(tǒng) |
燃料電池電堆必須與一些輔助設(shè)備組成系統(tǒng)才能正常工作。主要有氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、電力輸出系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。目前氫燃料電池主要用在車輛等交通工具中，我們以車用燃料電池系統(tǒng)作介紹。 |
| 3.1 氫氣供給系統(tǒng) |
氫氣是電堆的反應(yīng)燃料，車輛使用的氫氣存儲在高壓氣瓶中，而輸入電池堆的氫氣壓力與流量是要根據(jù)電堆工作狀況進(jìn)行控制的。圖15左邊是氫氣供給系統(tǒng)示意圖，氫氣瓶的壓力很高，先經(jīng)過減壓閥降到合適壓力，再通過進(jìn)氣控制閥控制為電池堆所需壓力。由于電堆內(nèi)的水含量影響離子導(dǎo)電率，要使膜組件保持濕潤，氫氣還要通過加濕器才能進(jìn)入電堆。 部分沒有參加反應(yīng)的氫氣從氫氣排出口排出，經(jīng)過氫氣循環(huán)泵、止回閥再次進(jìn)入電堆。排放控制閥僅作為排污與放空使用。 |
| 圖15： 燃料電池的氫氣供給系統(tǒng)與空氣供給系統(tǒng) |
| 3.2 空氣供給系統(tǒng) |
圖15右邊是空氣供給系統(tǒng)示意圖，空氣必須經(jīng)過嚴(yán)格的過濾才能使用，過濾好的空氣經(jīng)過空壓機(jī)加壓到合適的壓力、經(jīng)過加濕后進(jìn)入電堆。由于陰極側(cè)會生成水，要及時排出水，避免水堵塞擴(kuò)散層的孔隙，發(fā)生“水淹”陰極故障。 反應(yīng)剩余的空氣與生成的水從廢氣排出口排出，排放控制閥控制氣體的壓力與流量。排出的氣體與水通過氣水分離器分別排出。 |
| 3.3 燃料電池的散熱系統(tǒng) |
PEM燃料電池在大功率工作時，能量轉(zhuǎn)換效率在40%左右；在小功率工作時，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%。因此在燃料電池工作時，有40%～60%的廢熱必須排出，所以燃料電池必須有散熱系統(tǒng)。前面介紹過在電堆中插入排熱板進(jìn)行散熱，冷卻液在排熱板流道中流過，帶走熱量。冷卻液多采用水，但必須是去離子的純凈水，防止極板間漏電。 圖16是電堆散熱系統(tǒng)示意圖，去離子水箱提供冷卻用水，通過水泵進(jìn)行水循環(huán)。電堆開始運(yùn)行時，電堆要升到工作溫度，此時基本不輸入冷卻液。如果外部溫度很低，還要把水加熱輸入電堆。水泵輸出的水分兩路，一路通過電加熱器，通過節(jié)溫器輸入電堆;另一路通過散熱器、通過節(jié)溫器輸入電堆。正常工作時，電加熱器不工作，只作通道。散熱器內(nèi)排列著水管，風(fēng)扇對通過水管的水進(jìn)行降溫。 節(jié)溫器就是三通閥，該閥不僅可以對三個方向進(jìn)行切換，還可對各方向的通斷按比例進(jìn)行分配。通過節(jié)溫器就可以分配已散熱水與未散熱水之間的比例，使電堆工作在合適溫度。 |
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| 圖16： 燃料電池散熱系統(tǒng)圖 |
| 3.4 電力輸出系統(tǒng) |
燃料電池輸出的電壓隨輸出電流變化而變化，而且變化幅度較大，很難直接使用，要通過DC一DC直流變換器才能得到穩(wěn)定電壓的直流電。 當(dāng)負(fù)載突然發(fā)生較大變化時，由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)較慢，無法立即提供足夠電力，必須接入蓄電池來滿足突增的電力需求。蓄電池還可以儲存多余的電力，例如在車輛下坡時儲存電力。也可加配超級電容器來減少蓄電池的使用頻率。整個系統(tǒng)的電力分配由控制系統(tǒng)控制。 |
| 3.5 控制系統(tǒng) |
控制系統(tǒng)是一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。燃料電池系統(tǒng)是一種多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出特性與氫氣供給系統(tǒng)的壓力、流量，空氣供給系統(tǒng)的壓力、流量，冷卻水的溫度、流量等變量之間具有非常復(fù)雜的關(guān)系。所以必須根據(jù)電池輸出需要來控制各參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)有多個傳感器對系統(tǒng)各部位進(jìn)行采樣，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)控制泵、閥門、開關(guān)、DC一DC直流變換器等設(shè)備、。例如散熱系統(tǒng)通過檢測電堆的入口水溫與出口水溫，結(jié)合電堆功率輸出、環(huán)境溫度等參數(shù)，控制水泵、節(jié)溫器、散熱器風(fēng)扇使電堆工作在合適溫度范圍。 控制系統(tǒng)還要對電堆中每一節(jié)電池電壓巡回檢測，及時發(fā)現(xiàn)電堆故障。 以上是PEM燃料電池電堆與系統(tǒng)的基本組成介紹，實(shí)際的設(shè)備還要復(fù)雜得多，不同的型號的配置與組成方式不會相同，更多細(xì)節(jié)需參閱具體設(shè)備的說明書。 圖17是某燃料電池電堆系統(tǒng)圖片（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖17： 燃料電池電堆系統(tǒng) |
圖片顯示了燃料電池電堆系統(tǒng)的主要零部件，燃料電池電堆在背后。 |
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| 圖18： 燃料電池電堆系統(tǒng)（深圳） |
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