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燃料电池系统是一个术语，用于描述使燃料电池或燃料电池堆正常工作的整个系统环境。虽然燃料电池是一种通过电化学过程将燃料中储存的化学能转化为电能的装置，但这里介绍的各种燃料电池系统还涵盖了使这一过程得以进行的所有设备。
基本设计原理将决定所使用的结构和部件。例如，固体氧化物燃料电池系统与质子交换膜燃料电池系统不同。
燃料电池系统适用于特定的使用情况或应用场景。例如，家用燃料电池系统与将燃料电池电源集成到城市公交车的系统完全不同。这是因为家用燃料电池系统需要各种不同的操作和安全设备，例如与氢动力解决方案中使用的设备不同。
燃料电池系统的基本原理
燃料电池的基本原理是通过燃料和氧化剂（如氧气或空气）的受控反应产生电能。燃料电池系统能够将燃料（通常是氢气）和氧化剂供应到燃料电池堆的相对两侧，燃料电池堆由一系列单独的燃料电池组成。燃料电池由薄的导电板（称为双极板）隔开。当燃料和氧化剂流过燃料电池堆时，它们会在燃料电池表面发生反应，产生电能、水和热量。
燃料电池堆产生的电能由电极收集并通过电线传导至负载，负载可用于为各种设备或系统供电。反应产生的水通常被收集并循环回氢燃料电池系统，而热量通常通过冷却系统消散，以防止燃料电池过热。
燃料电池系统的重要子系统
- 燃料电池堆：燃料电池堆是燃料电池系统的核心部件，负责通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能。燃料电池堆通常由一系列单独的燃料电池组成，这些燃料电池由双极板隔开。
- 燃料供应系统：在氢燃料电池系统中，燃料供应系统负责将燃料输送到燃料电池堆。这可能包括燃料箱、燃料泵和气体调节器，以控制燃料的流量和压力。
- 氧化剂供应系统：氧化剂供应系统负责将氧化剂（通常是氧气或空气）输送到燃料电池堆。这可能包括空气压缩机、氧气罐和空气净化系统，以去除氧化剂中的杂质。
- 冷却系统：冷却系统负责去除燃料电池堆在电化学反应过程中产生的多余热量。这可能包括热交换器、泵和循环通过燃料电池堆的冷却液。
- 电气系统：电气系统负责收集燃料电池堆产生的电力并将其输送到负载。这可能包括电线、连接器和电源调节设备，以优化燃料电池系统的电力输出。
燃料电池系统部件
燃料电池系统有 5 个主要组件。包括燃料电池堆、燃料储罐、燃料泵、气体调节器和空气压缩机。
- 燃料电池堆：燃料电池堆是燃料电池系统的核心部件，负责通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能。燃料电池堆通常由一系列单独的燃料电池组成，这些燃料电池由双极板隔开。
- 燃料储罐：氢燃料电池系统中的燃料储罐负责储存和输送燃料。燃料储罐可能是高压罐、低温罐或固态储存系统，具体取决于系统类型和具体应用。
- 燃料泵：燃料泵负责以适当的流速和压力将燃料从燃料箱输送到燃料电池堆。燃料泵可能是高压泵、低温泵或隔膜泵，具体取决于类型和具体应用。
- 气体调节器：气体调节器负责控制燃料和氧化剂气体进入燃料电池堆时的流量和压力。气体调节器可能是高压调节器、低温调节器或质量流量控制器，具体取决于燃料电池系统的类型和具体使用情况。
- 空气压缩机：空气压缩机负责将氧化剂（通常是氧气或空气）输送到燃料电池堆
示例：Ballard Power Systems 的燃料电池系统
关键绩效标准
最先进的燃料电池系统有六个关键性能标准。
- 效率：燃料电池系统效率是系统产生的电量与消耗的燃料量之比的衡量标准。最先进的燃料电池系统应具有较高的效率，通常在 40-60% 的范围内。
- 功率密度：功率密度是系统每单位体积或质量可产生的电量的量度。典型系统应具有高功率密度，通常在 0.5-1.5 kW/L 或 kW/kg 范围内。
- 耐久性：燃料电池系统的耐久性是衡量系统长期承受磨损的能力的标准。燃料电池系统通常应具有较高的耐久性，使用寿命长，维护要求低。
- 燃料灵活性：燃料灵活性是衡量系统使用多种燃料的能力的指标。最先进的燃料电池系统应该能够使用多种燃料，例如氢气、天然气和沼气。
- 响应时间：响应时间是衡量系统对负载或燃料可用性变化的响应速度的指标。快速响应时间（通常在几秒钟内）是人们最希望看到的。
- 成本：燃料电池系统的成本是关键的性能标准，因为它决定了系统的经济可行性。无论是前期资本成本还是持续运营成本，成本都应该具有竞争力。
技术属性
在购买和集成燃料电池系统时，技术属性起着至关重要的作用。燃料电池系统的主要重要属性有七种。
- 燃料类型：系统设计使用的燃料类型是一项重要的技术属性，因为它决定了所需的燃料供应系统和燃料电池组。例如，氢燃料电池系统所需的燃料供应系统和燃料电池组与使用天然气或沼气的系统不同。
- 工作温度：系统的工作温度是一项重要的技术属性，因为它决定了所需的堆栈类型和燃料电池冷却系统类型。例如，在高温下运行的系统可能需要固体氧化物燃料电池堆和更强大的冷却系统，而在低温下运行的系统可能能够使用聚合物电解质膜燃料电池堆和更简单的冷却系统。
- 输出功率：输出功率当然是一项非常重要的技术属性，因为它决定了系统的大小和规模。输出可以用瓦、千瓦或兆瓦来表示，具体取决于系统要供电的负载大小。
- 响应时间：燃料电池系统的响应时间是一项重要的技术属性，因为它决定了系统响应负载或燃料可用性变化的能力。对于需要快速响应的应用（例如备用电源或调峰），响应时间快的系统可能是首选。
- 效率：燃料电池系统的效率是一项重要的技术属性，因为它决定了从给定量的燃料中可以产生的电量。对于需要高水平能量转换效率的应用（例如固定电源或运输），高效率的系统可能是首选。
- 耐用性：燃料电池系统的耐用性是一项重要的技术属性，因为它决定了系统承受长期磨损的能力。对于需要较长使用寿命或较低维护要求的应用，耐用性较高的系统可能是首选。
- 燃料灵活性：燃料电池系统的燃料灵活性是一项重要的技术属性，因为它决定了系统使用多种燃料的能力。对于需要使用多种燃料运行的应用，例如备用电源或热电联产系统，燃料灵活性较高的系统可能是首选。
燃料电池系统效率
燃料电池系统的效率通常用系统的电输出与燃料的化学能输入之比来衡量。这通常以百分比表示，百分比越高，效率越高。
测量燃料电池系统效率的方法有很多种，例如总电效率、净电效率、燃料利用效率和能量效率。
- 总电效率是衡量燃料电池组本身效率的指标，其计算方法是燃料电池组的电输出与燃料的化学能输入之比。
- 净电效率是衡量燃料电池系统（包括所有子系统和辅助组件）整体效率的指标。净电效率计算为系统电输出与燃料化学能输入之比，减去子系统和辅助组件的能量损失。
- 燃料利用效率是系统转换的燃料量的量度，其计算方式为燃料电池组的化学能输出与燃料的化学能输入之比。
- 能源效率是衡量燃料电池系统整体效率的指标，包括系统的电输出和热输出。其计算方法是有用能量输出（电能和热能）与燃料化学能输入的比率。
值得注意的是，燃料电池系统的效率会受到多种因素的影响，包括燃料电池技术的类型、工作温度、负载需求以及燃料和氧化剂的质量。因此，测量的系统效率可能会因具体操作条件而异。
最后同样重要的是，与燃料电池系统制造相关的一切也是整体效率的一个因素。燃料电池发电系统的生产成本（例如，使用特殊材料）不得远远高于系统在使用过程中可能节省的效率参数。这意味着系统效率将受到不同的考虑，例如，固定式燃料电池发电系统设计为持续运行，而氢移动应用在其使用寿命内仅运行相对较短的时间。
安全措施
在设计燃料电池系统时，通常会采取多种安全措施来确保运行安全。这些措施可能包括：
- 压力释放阀用于防止系统内积聚过大的压力，否则可能导致部件破裂。压力释放阀通常设计为在特定压力阈值下打开，允许过量气体排放到大气中。
- 过压保护用于防止燃料电池系统在超出其设计极限的压力下运行。这可能包括传感器和控制系统，用于监测系统内的压力，并在压力超过特定阈值时切断燃料供应。
- 过流保护用于防止系统在超出其设计限值的电流下运行。这可能包括传感器和控制系统，用于监控系统内的电流，并在电流超过特定阈值时关闭燃料供应。
- 热保护用于防止燃料电池系统过热，过热可能会损坏燃料电池或引起火灾。这可能包括热传感器和控制系统，用于监测系统内的温度，并在温度超过特定阈值时切断燃料供应。
- 气体泄漏检测用于检测和防止危险气体的释放。这可能包括用于检测周围环境中是否存在氢气或其他可燃气体的传感器和警报器。
- 安全联锁用于在未满足某些安全条件时阻止燃料电池系统运行。例如，如果燃料箱密封不当或燃料电池堆冷却不当，则可以使用安全联锁来阻止启动。
氢燃料质量
氢燃料电池系统中使用的燃料的质量会对系统的性能产生重大影响。一般来说，氢气质量越高，性能越好，而氢气质量越差，则可能导致性能下降甚至损坏系统。以下列出了可能影响氢燃料质量的因素。
- 纯度：氢气的纯度是指气体中杂质的浓度。燃料电池系统通常首选纯度较高的氢气，因为杂质会干扰燃料电池堆内发生的电化学反应。
- 压力：氢气压力是燃料电池系统性能的一个重要因素，因为它决定了氢气输送到燃料电池组的速率。一些系统可能更喜欢高压氢气，因为它可以增加气体的流速并提高系统的性能。
- 温度：氢气的温度会影响燃料电池系统的性能，因为它决定了蒸发气体所需的能量以及氢气输送到燃料电池组的速率。在某些燃料电池系统中，温度较高的氢气可能是首选，因为它可以增加气体的流速并改善系统的性能。
- 水分：氢气中含有水分会影响燃料电池系统的性能，因为它会干扰燃料电池堆内发生的电化学反应。燃料电池系统通常首选水分含量低的高纯度氢气。
- 污染物：氢燃料受到颗粒或气体等污染，会影响燃料电池系统的性能。通常首选低污染物含量的高纯度氢气，在某些情况下，这也是实现功能的基本要求。
为了确保最佳性能，在燃料电池系统中使用高品质氢气非常重要。这可能需要使用净化和干燥系统来去除氢气中的杂质和水分，以及使用过滤系统来去除污染物。
应用场景
燃料电池系统是氢经济的关键技术，它提供了一种清洁、高效的利用氢气发电和供热的方法。燃料电池系统在氢经济中的应用范围很广，从发电和热电联产 (CHP) 系统等固定应用到运输和便携式电源等移动应用。
a) 固定应用场景
固定式燃料电池发电系统通常用于发电和热电联产应用，可用于为商业、工业和住宅客户现场发电和供热。燃料电池系统的一些常见固定式用例包括：
- 发电：燃料电池系统可用于为电网或现场消费发电。这对于需要稳定可靠电源的应用尤其有用，例如数据中心、医院和其他关键基础设施。
- 热电联产系统：燃料电池系统可用于通过称为热电联产 (CHP) 的过程产生电力和热能，供现场使用。热电联产系统效率特别高，因为它们可以捕获发电过程中产生的热量，并将其用于供暖、热水或其他用途。
b) 移动应用场景
移动燃料电池系统通常用于运输和便携式电源应用，它们可以提供清洁高效的化石燃料替代品。燃料电池系统的一些常见移动用例包括：
- 交通运输：燃料电池系统可用于为汽车、公共汽车、火车和卡车等车辆提供动力。燃料电池汽车比传统的汽油或柴油汽车具有多项优势，包括排放量更低、行驶里程更长和加油时间更短。
- 便携式电源：燃料电池系统还可用于为各种应用提供便携式电源，包括军事、应急服务和娱乐活动。与传统汽油发电机相比，它们还具有多项优势，包括排放量更低、运行时间更长和运行更安静。
设计理念
燃料电池系统的设计理念取决于应用的具体要求和限制。
a)可扩展性
燃料电池系统可以设计为可扩展的，这意味着它们可以轻松修改或扩展以满足不断变化的能源需求。这对于能源需求变化或不确定的应用尤其有用，例如可再生能源系统的情况。
b) 模块化
燃料电池系统也可以设计成模块化，这意味着它们可以由更小、可互换的部件组成，这些部件可以轻松组装和拆卸。这对于需要重新安置或改变燃料电池系统用途的应用非常有用，因为它允许轻松重新配置系统。
c)标准化：
燃料电池系统可以设计成标准化的，这意味着它们基于通用的、被广泛接受的设计原则和组件。这有助于降低系统的成本和复杂性，因为它允许系统轻松地与其他技术和设备集成
通过了解不同的设计理念并选择最合适的设计理念，燃料电池工程师可以帮助优化燃料电池系统的性能和成本效益。
设计理念与将燃料电池系统集成到燃料和能源供应的整体基础设施中有着特别的相关性。例如，燃料电池混合系统用于整合可再生能源的缓冲功能或使用能量回收系统。这特别适用于在设计可再生能源燃料电池时结合氢和燃料电池技术。
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最后更新：2023 年 7 月 14 日