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什么是燃料电池电堆？
本质上，燃料电池电堆是将单个标准化燃料电池模块化集成到堆叠组件中，从而为特定应用提供所需功率输出的装置。燃料电池电堆技术涵盖将单个燃料电池集成到电堆中的所有方法和组件，从而形成一种“即插即用”的燃料电池系统，可集成到多种固定式和移动式应用中。
详细阐述燃料电池电堆的定义，氢燃料电池电堆由串联或并联的多个燃料电池组成，以产生所需的电压和电流输出。电堆中的每个燃料电池由两个电极（阴极和阳极）及中间的电解质组成。阴极通常由多孔导电材料（如碳）制成，阳极则由具有催化活性的材料（如铂或钯）制成。电解质是允许离子通过但阻挡电子的固体或液体材料。
当燃料和氧化剂分别供应到阳极和阴极时，电极处发生化学反应并产生电能。在阳极，燃料（通常为氢气）被氧化，释放电子和质子。质子通过电解质到达阴极，而电子被迫流经外部电路产生电流。在阴极，质子、电子与空气中的氧气结合生成水，完成电化学过程。
燃料电池电堆与其他组件的接口
氢燃料电池电堆与燃料电池系统的其他组件之间有四个接口。这四个接口是：
- 燃料入口和出口允许氢气燃料供应到燃料电池电堆并从电堆中排出。燃料入口通常连接到燃料供应系统，该系统可能包括压缩机、过滤器和储罐。燃料出口通常连接到燃料排气系统，该系统可能包括气体净化单元和电堆洗涤器，以去除杂质和多余的水分。
- 氧化剂入口和出口允许氧化剂（通常是空气或氧气）供应到氢燃料电池电堆并从电堆中排出。氧化剂入口通常连接到空气供应系统，该系统可能包括压缩机和过滤器。氧化剂出口通常连接到排气系统，该系统可能包括气体净化单元和电堆洗涤器，以去除杂质和多余的水分。
- 冷却剂入口和出口允许冷却流体（通常是水或乙二醇）在燃料电池电堆中循环，以去除电化学过程中产生的热量。冷却剂入口通常连接到冷却系统，该系统可能包括泵、热交换器和散热器。冷却剂出口通常连接到返回冷却系统的回路线。
- 电气接口允许氢燃料电池电堆连接到外部负载或能量存储系统。电气接口可能包括用于直流电的连接器和电缆，以及用于交流电的逆变器和控制电子设备。
燃料电池堆组件
典型的燃料电池电堆包括以下 7 个组件。
- 燃料电池是燃料电池电堆的核心，负责通过电化学过程产生电能。每个燃料电池由阳极、阴极和电解质组成，还包括电流收集器和分离器，以促进离子和电子的流动。
- 双极板是夹在氢燃料电池电堆中的燃料电池之间的薄平板。它们作为电堆的结构骨架，同时提供导电性和热管理。双极板可以由多种材料制成，包括金属、聚合物和陶瓷。
- 垫片和密封件用于在燃料电池电堆中的燃料电池和双极板之间创建气密密封，防止泄漏并保持恒定的气体流动。垫圈和密封件可以由多种材料制成，包括弹性体、石墨和复合材料。
- 端板位于燃料电池电堆的顶部和底部，为电堆提供结构支撑和密封。它们还可能包括燃料入口和出口、氧化剂入口和出口以及冷却剂入口和出口的配置。
- 气体歧管是分配燃料和氧化剂到氢燃料电池电堆中的燃料电池的通道或管道。它们还可能包括气体净化和水分去除的配置。
- 冷却剂歧管是循环冷却流体通过电堆以去除热量的通道或管道。它们还可能包括温度传感和控制的配置。
- 电气连接器和电缆提供燃料电池电堆与外部负载或能量存储系统之间的接口。它们可能包括用于直流电的连接器和电缆，以及用于交流电的逆变器和控制电子设备。
燃料电池电堆技术
燃料电池电堆技术有多种类型，如 PEM 燃料电池、SOFC、PAFC、AFC、MCFC、DMFC 和 ZAFC。
- 聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池：在 PEM 燃料电池电堆的电池中，使用薄聚合物膜作为电解质，通常以氢气为燃料。PEMFC电堆设计以高功率密度和快速响应时间著称，常用于便携式和移动应用。
- 固体氧化物燃料电池 (SOFC) ：SOFC 使用固体氧化物材料作为电解质，可以以多种气体为燃料，包括氢气、天然气和沼气。固体氧化物燃料电池电堆具有高效率和耐久性，常用于固定电源应用。
- 磷酸燃料电池 (PAFC) ：PAFC 使用磷酸作为电解质，通常以氢气为燃料。它们以高效率和相对低成本著称，常用于固定电源应用。
- 碱性燃料电池 (AFC) ：AFC 使用碱性溶液作为电解质，通常以氢气为燃料。它们以高效率和可靠性著称，常用于航天器和其他特殊应用。
- 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) ：MCFC 使用熔融碳酸盐材料作为电解质，可以以多种气体为燃料，包括氢气、天然气和沼气。它们以高效率和燃料灵活性著称，常用于固定电源应用。
- 直接甲醇燃料电池 (DMFC) ：DMFC 使用质子交换膜作为电解质，以溶解在水中的甲醇为燃料。它们以高功率密度和快速响应时间著称，常用于便携式和移动应用。
- 锌空气燃料电池：锌空气燃料电池使用空气中的氧气作为氧化剂，以锌为燃料。它们以高能量密度和低成本著称，常用于便携式和移动应用。
燃料电池电堆设计中的性能标准
功率密度、效率、耐久性和成本是设计先进氢燃料电池电堆所需的四个重要性能标准。
- 功率密度是指燃料电池电堆每单位面积或体积可以产生的功率。更高的功率密度允许更小、更紧凑的电堆，这对于空间有限的应用非常重要。
- 效率是指燃料电池电堆的电能输出与化学能输入的比率。更高的效率意味着更少的能量浪费和更低的燃料消耗。
- 耐久性是指燃料电池电堆随时间保持其性能的能力。影响耐久性的因素包括燃料和氧化剂的质量和纯度、操作温度和湿度以及杂质和污染物的存在。
- 成本是燃料电池电堆设计中的一个重要考虑因素。影响燃料电池电堆成本的因素包括使用的材料和制造工艺，以及生产规模。
燃料电池电堆选择的七个技术属性
在购买和集成燃料电池电堆到燃料电池系统时，通常考虑的七个技术属性如下。
- 燃料类型是燃料电池电堆最重要的技术属性之一。不同的燃料电池技术设计用于使用不同的燃料，选择与所用燃料兼容的燃料电池电堆非常重要。例如，PEM 燃料电池电堆通常使用氢气，而直接甲醇燃料电池（DMFC）电堆设计用于使用甲醇。
- 电堆操作温度是一个重要的考虑因素，因为它影响燃料电池电堆组件的效率和耐久性。一些燃料电池技术，如质子交换膜（PEM）燃料电池，对温度敏感。因此，PEM燃料电池电堆设计需要精确的温度控制以实现最佳操作。其他设计，如 SOFC 电堆（固体氧化物燃料电池 - SOFC）设计，可以在更高的温度下操作，可能不需要那么多的温度控制。
- 电堆操作压力是另一个重要的考虑因素，因为它可以影响电堆的效率和耐久性。一些燃料电池技术，如 PEM 燃料电池，在低压下操作，需要精确的压力控制以实现最佳操作。其他设计，如 SOFC，可以在更高的压力下操作，可能不需要那么多的压力控制。
- 燃料电池电堆的功率输出是一个重要的考虑因素，因为它决定了电堆可以产生的电量。电堆功率输出可以通过改变电堆中的燃料电池数量、燃料电池的大小或电堆的操作条件来调整。
- 燃料电池电堆的电压和电流输出是重要的考虑因素，因为它们决定了电堆与外部负载或能量存储系统的兼容性。电压和电流输出可以通过将燃料电池串联或并联连接，或使用电压和电流调节电子设备来调整。
- 氢燃料电池电堆的尺寸和重量是重要的考虑因素，因为它们决定了电堆的物理占地面积和可运输性。更小、更轻的燃料电池电堆通常更适合空间有限或需要移动的应用。
- 燃料电池电堆的集成便利性是一个重要的考虑因素。这决定了电堆可以多容易地集成到燃料电池系统中。影响集成便利性的因素包括接口的数量和类型、与其他组件的兼容性以及文档和技术支持的可用性。
燃料电池堆叠
通过堆叠更多的燃料电池，可以增加氢燃料电池电堆的功率。这是因为电堆中的每个燃料电池都贡献于电堆的总功率输出，增加更多的燃料电池会增加总功率输出。燃料电池的堆叠允许燃料电池系统设计具有更大的灵活性。燃料电池电堆设计的模块化特性允许通过添加或移除燃料电池来轻松调整功率输出。因此，燃料电池系统可以根据应用的特定功率需求进行定制，并且使用相同的组件更容易扩展或缩小系统。
除了增加功率输出外，以模块化方式堆叠燃料电池还可以实现更紧凑和轻量化的设计，因为可以在更小的体积内产生更多的功率。这对于空间有限或重量受限的应用（如便携式设备或车辆）尤为重要。
燃料电池电堆效率
电堆效率通常通过电能输出与化学能输入的比率来衡量。这是通过测量和比较电堆的电功率输出以及燃料和氧化剂输入的流量和能量含量来计算的。
燃料电池电堆的效率可能因多种因素而异，包括燃料电池电堆技术、电堆的操作条件以及燃料和氧化剂的质量和纯度。一般来说，氢燃料电池电堆在其额定功率输出和最佳温度和压力下操作时效率最高。
需要优化的操作原则
燃料电池工程师通常专注于优化氢燃料电池电堆的性能和效率，以及其耐久性和可靠性。为了实现这一点，工程师将专注于一些操作原则，例如：
- 燃料和氧化剂的纯度：确保燃料和氧化剂气体具有高纯度可以帮助最小化退化并延长燃料电池电堆的寿命。工程师可以使用气体净化单元、过滤器和水分捕集器等工具去除气体中的杂质和污染物。
- 操作温度和压力：保持最佳操作温度和压力可以帮助最大化电堆的效率和耐久性。工程师可以使用热电偶、温度传感器和压力传感器等工具来监控和控制电堆的操作条件。
- 负载管理：管理燃料电池电堆上的负载可以帮助优化其性能并延长其寿命。工程师可以使用负载箱、数据采集系统和控制电子设备等工具来监控和控制电堆上的负载。
- 维护：定期维护可以帮助防止退化并延长电堆的寿命。工程师可以使用清洁用品、检查设备和诊断工具等工具对电堆进行维护。
- 测试：定期测试有助于识别可能出现的问题，并允许工程师根据需要采取纠正措施。工程师可以使用燃料电池测试台、负载箱和数据采集系统等工具来测试电堆的性能和可靠性。
除了这些操作原则外，燃料电池工程师还可以使用一系列工具和设备来优化氢燃料电池电堆的性能和可靠性。这些工具可能包括：
- 计算工具：燃料电池工程师可以使用计算工具，如计算机辅助设计（CAD）软件和仿真工具，来设计和优化燃料电池电堆及其组件。这些工具可以帮助识别潜在的设计问题，并允许工程师在电堆制造之前进行更改和改进。
- 数据分析工具：燃料电池工程师可以使用数据分析工具，如电子表格和数据可视化软件，来分析燃料电池测试数据并识别趋势和模式。这可以帮助工程师了解氢燃料电池电堆的性能和可靠性，并识别改进的领域。
- 诊断设备：燃料电池工程师可以使用诊断设备，如万用表和示波器，来排除和诊断燃料电池电堆的问题。这些工具可以帮助工程师识别电堆中的问题并采取纠正措施。
- 测试设备：为了测试性能和可靠性，工程师可以使用一系列燃料电池电堆测试设备，如负载箱、数据采集系统和燃料电池测试台。这些工具可以帮助工程师识别问题并采取纠正措施。
安全措施
在燃料电池系统的设计中，通常采取几种安全措施以确保氢燃料电池电堆安全运行。
- 气体处理和净化：燃料电池系统通常包括一系列措施，以确保燃料和氧化剂气体的处理和净化安全。这可能包括去除污染物和杂质的过滤器、控制气体流量和压力的压缩机和调节器，以及去除水分和其他杂质的气体净化单元。
- 冷却系统：燃料电池电堆在电化学过程中产生热量，确保电堆适当冷却以防止过热和损坏非常重要。燃料电池系统通常包括冷却系统，以循环冷却流体通过电堆并去除多余的热量。
- 电气安全：燃料电池系统产生电能，确保系统的电气组件设计和安装安全非常重要。这可能包括接地、过流保护和绝缘等措施，以防止电气火灾和电击。
- 结构完整性：燃料电池电堆通常承受各种环境和机械应力，确保电堆设计和构造具有足够的结构完整性以承受这些应力非常重要。这可能包括加固、支撑和防护涂层等措施，以防止损坏。
- 紧急停机：燃料电池系统通常包括紧急停机系统，以在发生故障或故障时自动关闭系统。这可能包括检测危险条件的传感器，以及触发停机的控制电子设备。
防止燃料电池电堆退化
燃料电池电堆的退化会影响燃料电池的寿命，但可以采取几种措施来减少燃料电池电堆的退化并延长其寿命。
- 适当过滤燃料和氧化剂气体可以帮助去除可能导致燃料电池退化的杂质和污染物。这可能包括去除颗粒物的过滤器，以及去除水分和其他杂质的气体净化单元。
- 氢燃料的纯度也会影响燃料电池电堆的性能和寿命。被水蒸气、碳氢化合物或金属等杂质污染的氢燃料会导致燃料电池的腐蚀和退化。确保氢燃料具有高纯度以最小化这些影响非常重要。
- 氢燃料电池电堆的操作条件也会影响其性能和寿命。温度、压力和湿度等因素都会影响燃料电池的稳定性和耐久性。保持最佳操作条件以最小化退化并延长电堆的寿命非常重要。
- 适当的电堆维护也可以帮助防止退化并延长其寿命。这可能包括定期清洁和检查燃料电池及其他组件，以及根据需要更换磨损或损坏的部件。
燃料电池电堆测试设备
通常使用几种设备来测试氢燃料电池电堆，如气体流量计、热电偶、负载箱子、数据采集系统和燃料电池测试台。
- 气体流量计和调节器用于测量和控制燃料和氧化剂气体到燃料电池电堆的流量。这允许精确控制和测量电堆的操作条件。
- 热电偶和温度传感器用于测量电堆及其组件（如燃料电池、双极板和冷却剂）的温度。这允许监控和控制电堆的温度分布。
- 负载箱用于对燃料电池电堆组件施加负载并测量其电气输出。这允许在不同负载条件下表征电堆的性能。
- 数据采集系统用于在测试期间收集和记录来自燃料电池电堆及其组件的数据。这可能包括电气输出、气体流量、温度和其他参数的数据。
- 燃料电池测试台是用于在各种条件下测试电堆的专用系统。这些系统可能包括温度和湿度控制、气体流量和压力控制、负载箱和数据采集系统等功能。燃料电池测试台通常用于表征氢燃料电池电堆的性能，以及在不同操作条件下测试电堆的耐久性和可靠性。
使用集成电池启动氢燃料电池电堆
燃料电池系统中的集成电池可以通过几种方式扩展其寿命。一种方式是使用电池“启动”燃料电池电堆，特别是在电堆处于冷态或长时间闲置的情况下。在这种情况下，电池可以提供临时功率提升，使电堆启动并运行，直到电堆达到操作温度并接管为主要电源。
集成电池还可以用于在电源中断或燃料供应中断时为燃料电池系统提供备用电源。在这种情况下，电池可以为关键负载提供电源，直到电堆组件可以重新启动或燃料供应恢复。
集成电池还可以通过“削峰”燃料电池电堆上的负载来扩展燃料电池系统的寿命。这涉及在需求高峰期间使用电池存储多余的电能，然后在需求较低时将电能释放回负载。这可以帮助减少氢燃料电池电堆上的总负载，从而延长其寿命。
最后更新：2023 年 2 月 6 日