燃料電池系統(tǒng)的五個子系統(tǒng)解讀

燃料電池系統(tǒng)的五個子系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)主要由以下五個子系統(tǒng)組成：

1、燃料電池堆：是整個燃料電池系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。燃料電池堆由多個單體電池以串聯(lián)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(jīng)過特定工藝組裝后形成質(zhì)子交換膜燃料電池堆。這里，催化劑、質(zhì)子交換膜和碳布/碳紙構(gòu)成了膜電極，是電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵部分。

2、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)：其主要任務(wù)是對進(jìn)入燃料電池的空氣進(jìn)行過濾、增濕、壓力調(diào)節(jié)等處理，確保燃料電池電堆陰極側(cè)的溫度、濕度、壓力及流量保持在最佳范圍內(nèi)，從而防止氧氣的供應(yīng)不足。該子系統(tǒng)通常包含空氣濾清器、空壓機(jī)/吹風(fēng)機(jī)和空氣增濕器等部件。

3、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)：主要作用是調(diào)整氫氣的壓力、對氫氣進(jìn)行加濕，以及為電堆及時提供充足的氫氣。這個子系統(tǒng)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(guān)鍵部件。氫氣瓶用于儲存高壓氫氣，而氫氣回流泵則負(fù)責(zé)回收電堆反應(yīng)后剩余的氫氣，提高氫氣的能源利用率。

4、水熱管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理燃料電池工作產(chǎn)生的熱量以及內(nèi)部的水。水熱管理系統(tǒng)的核心部件包括水泵、節(jié)溫器、去離子器、散熱器等，通過冷卻水循環(huán)回路將燃料電池產(chǎn)生的熱量帶走并散發(fā)到環(huán)境中，從而維持電堆溫度在80℃左右。同時，該系統(tǒng)還需確保質(zhì)子膜內(nèi)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(wù)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(dǎo)。如果質(zhì)子膜內(nèi)的水含量較少，便會導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)受阻，造成歐姆極化過電位增大，極易引發(fā)膜干涸現(xiàn)象；但是電堆內(nèi)的水又不能過多，否則又容易造成陰極淹沒，導(dǎo)致反應(yīng)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(wù)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(qiáng)，導(dǎo)致電堆的性能變差；如果工作溫度過高，又容易導(dǎo)致膜水干，使歐姆極化損失加大，導(dǎo)致電堆性能下降。

電控系統(tǒng)：燃料電池發(fā)動機(jī)的電控系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)控制器（FCU）及各種傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制整個燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作和高效運(yùn)行。

燃料電池系統(tǒng)工作原理

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

首先，燃料電池堆是整個系統(tǒng)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(zhì)層。當(dāng)系統(tǒng)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(zhì)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(qū)動各種電氣設(shè)備，從而實現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換。

同時，在陰極，氧氣在催化劑的作用下與通過電解質(zhì)層傳遞過來的氫離子以及通過外部電路到達(dá)的電子發(fā)生反應(yīng)，生成水。這個過程中，電解質(zhì)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(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

燃料電池系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)，如空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，則負(fù)責(zé)為燃料電池堆提供所需的反應(yīng)條件，如合適的溫度、濕度、壓力和流量，以及確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效能量轉(zhuǎn)換。

審核編輯：黃飛