氢燃料电池系统简述

氢燃料电池系统简述

辽宁奥斯福科技有限公司 刘爱军

一、简述

氢燃料电池，实际上是一种即时发电系统，通过电解水制氢的逆反应过程产生电，主要原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。如图1

二、氢燃料电池系统的主要组成部分 2.1电堆堆栈

氢燃料电池电堆是氢燃料电池系统的核心构件之一，它决定了电池系统的功率大小。氢燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池是由将双极板与膜电极(催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成。若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

2.1.1 双极板

双极板是燃料电池堆栈的关键部件，双极板是由极板和流场组成。简单来说，双极板就是燃料电池堆栈内的气体通路。双极板的主要作用是气体分配、集流、导热和密封。

双极板是电、热的良导体,具有良好的机械性能,很好的阻气性能,耐腐蚀性好等特点,其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率。双极板材质主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

2.1.2质子交换膜

质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反应气体的作用。 在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。

质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。 2.1.3催化剂

作为氢燃料电池反应关键，催化层是由催化剂和催化剂载体形成的薄层。催化剂主要采用Pt/C,Pt合金/C，载体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。

对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。 2.1.4碳纸/碳布

气体扩散层GDL通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。

2.2供氢系统

供氢系统是燃料电池的燃料来源，它是一个系统性的燃料供应体系，供氢系统的储氢容量决定了燃料电池的工作时间，和燃料电池电堆属于紧密配合的关系。系统原理图如下：

2.2.1氢气瓶

高压储氢气瓶是氢气的储存容器，高压储氢瓶是燃料电池供氢系统中的重要储能部件。目前，储氢气瓶主要分为四类，即I型金属气瓶、II型金属内胆环向缠绕气瓶、III型金属内胆全缠绕气瓶和IV非金属内胆全缠绕气瓶。据了解，鉴于安全考虑，IV型氢气瓶目前在国内禁止使用，而I型、II型气瓶比较笨重，国内在用的III型氢气瓶最多。由于为了提高氢气的利用效率，现阶段国内的高压气瓶主要集中在35Mpa和70Mpa的压力，这样可以提高氢气的储存效率。

2.2.2减压器

减压器是一种将高压氢气瓶中的高压氢气减到燃料电池可以接受并使用的低压氢气的设备。由于燃料电池中的但电池不能承受35Mpa或70Mpa的高压，所以系统经减压器将35Mpa或70Mpa的高压减到燃料电池接受的1Mpa左右的低压。 2.2.3压力传感器

压力传感器是能感受供氢系统内的压力信号，并能按照一定的规律将系统内的压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。该装置主要是为了实时监控系统内的压力变化，为紧急操作提供依据。 2.2.4加氢口

连接在供氢系统上的设备，可与加氢枪连接并进行氢气的传输，常见国内型号为TN1和TN5。 2.2.5电磁阀

电磁阀是供氢系统的开关阀，在氢气瓶的瓶口阀上集成了该项功能，除此之外，系统的低压输出管路处还需要一个截断向燃料电池供应氢气的电磁阀，我们称之为主电磁阀。 2.2.6单向阀

单向阀是氢气只能沿进气口流动，出气口氢气却无法回流，俗称单向阀。单向阀又称止回阀或逆止阀。用于气动系统中防止压缩氢气逆向流动。供氢系统是单向输出氢气的体系，所以在系统中会有多个单向阀。