燃料電池系統的五個子系統解讀

燃料電池系統的五個子系統

燃料電池系統主要由以下五個子系統組成：

1、燃料電池堆：是整個燃料電池系統的核心部分，負責電化學反應的發生。燃料電池堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成，每個單體電池包括雙極板和膜電極三合一組件（MEA），經過特定工藝組裝后形成質子交換膜燃料電池堆。這里，催化劑、質子交換膜和碳布/碳紙構成了膜電極，是電化學反應的關鍵部分。

2、空氣供應子系統：其主要任務是對進入燃料電池的空氣進行過濾、增濕、壓力調節等處理，確保燃料電池電堆陰極側的溫度、濕度、壓力及流量保持在最佳范圍內，從而防止氧氣的供應不足。該子系統通常包含空氣濾清器、空壓機/吹風機和空氣增濕器等部件。

3、氫氣供應子系統：主要作用是調整氫氣的壓力、對氫氣進行加濕，以及為電堆及時提供充足的氫氣。這個子系統包括氫氣瓶、減壓閥、電磁閥、氫氣回流泵和氫氣濃度傳感器等關鍵部件。氫氣瓶用于儲存高壓氫氣，而氫氣回流泵則負責回收電堆反應后剩余的氫氣，提高氫氣的能源利用率。

4、水熱管理系統：該系統主要負責管理燃料電池工作產生的熱量以及內部的水。水熱管理系統的核心部件包括水泵、節溫器、去離子器、散熱器等，通過冷卻水循環回路將燃料電池產生的熱量帶走并散發到環境中，從而維持電堆溫度在80℃左右。同時，該系統還需確保質子膜內的水含量適中，以避免膜干涸或陰極淹沒的問題。

5、水管理的核心任務是使膜電極（MEA）中具有合理的水含量，以保證氫離子能夠良好的在膜中傳導。如果質子膜內的水含量較少，便會導致質子傳導受阻，造成歐姆極化過電位增大，極易引發膜干涸現象；但是電堆內的水又不能過多，否則又容易造成陰極淹沒，導致反應氣的傳輸受阻，增加了電堆的活化極化過電位與濃差極化過電位。

熱管理的核心任務是將燃料電池的工作溫度控制在安全合理的范圍。如果工作溫度過低，電堆的活化極化損失會增強，導致電堆的性能變差；如果工作溫度過高，又容易導致膜水干，使歐姆極化損失加大，導致電堆性能下降。

電控系統：燃料電池發動機的電控系統主要由發動機控制器（FCU）及各種傳感器構成，負責監控和控制整個燃料電池系統的運行狀態，確保各子系統之間的協調工作和高效運行。

燃料電池系統工作原理

燃料電池系統的工作原理主要基于電化學反應，通過將燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣）在燃料電池中進行反應，從而直接產生電能。以下是燃料電池系統工作原理的詳細解釋：

首先，燃料電池堆是整個系統的核心，它由多個單體電池組成，每個單體電池都包含陽極（燃料電極）、陰極（氧化劑電極）以及電解質層。當系統開始工作時，氫氣作為燃料被輸送到陽極，而氧氣或空氣作為氧化劑被輸送到陰極。

在陽極，氫氣在催化劑的作用下被分解為氫離子（H+）和電子（e-）。氫離子通過電解質層向陰極移動，而電子則通過外部電路流向陰極，形成電流。這個電流可以被用來驅動各種電氣設備，從而實現了化學能向電能的轉換。

同時，在陰極，氧氣在催化劑的作用下與通過電解質層傳遞過來的氫離子以及通過外部電路到達的電子發生反應，生成水。這個過程中，電解質層起到了離子通道的作用，使得氫離子能夠在陽極和陰極之間傳遞，從而維持電化學反應的持續進行。

燃料電池系統的其他子系統，如空氣供應子系統、氫氣供應子系統、水熱管理系統和電控系統，則負責為燃料電池堆提供所需的反應條件，如合適的溫度、濕度、壓力和流量，以及確保系統的穩定運行和高效能量轉換。

審核編輯：黃飛