1.3 PEMFC分类

1.3.1 不同方式的分类

燃料电池的分类方式有很多，常用的方式是按照燃料电池电解质性质和工作温度进行分类。

因为电解质可以分为酸性、碱性、熔融盐类或固体类，所以燃料电池可以分为五类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。

按工作温度范围的不同，一般把碱性燃料电池（AFC，100℃）和质子交换膜燃料电池（PEMFC，100℃以内）归为低温燃料电池，将磷酸燃料电池（PAFC，200℃）归为中温燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，650℃）和固体氧化燃料电池（SOFC，1000℃）称为高温燃料电池，各类燃料电池特征见表1-1。

目前，PEMFC按照燃料的种类和来源分类，可以分为四类：氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、直接甲酸燃料电池[23]，而后三者又可以统称为碳质化合物质子交换膜燃料电池，现分别阐述。

1 氢氧质子交换膜燃料电池（H2/O2型PEMFC）

H2/O2型PEMFC是目前研究最为充分，也是技术最为成熟的质子交换膜燃料电池，习惯上，PEMFC也专指H2/O2型燃料电池。H2/O2型PEMFC具有较高的功率密度（可达2.0W/cm2[24]），远远超过了其他类型的燃料电池。虽然各种H2/O2型PEMFC汽车和固定发电站早已试运行，但目前该类电池仍存在一些缺点，使其尚不能进入规模化的商业应用。这些缺点主要有：①所用的质子交换膜、催化剂价格昂贵；②电池性能的稳定性不理想；③水热管理系统复杂；④H2的储存效率低下。

由于成本的限制，H2/O2型PEMFC只在特殊的应用领域具有竞争力。要想取代目前普遍应用的内燃机，H2/O2型PEMFC除了要进一步提高功率密度外，还需要具有与内燃机相当甚至更低的成本。虽然H2/O2型PEMFC以H2为燃料时性能最佳，但H2需要消耗其他的能量来制取，且H2的体积能量密度小，储存效率很低。一般认为，PEMFC能运行5000h以上且电池性能没有明显的下降时才能在实际中使用，但现在的电池材料难以满足上述的要求。此外，以加氢站取代加油站，也需要大量的前期资本投入。因此在H2/O2型PEMFC的大规模商业化应用之前，还有一系列的问题亟待解决。

2 碳质化合物质子交换膜燃料电池

除了以H2为燃料外，质子交换膜燃料电池还可以以碳质化合物如甲醇、甲酸、甲醚、乙醇等为燃料直接液体进料。在各种碳质化合物燃料中，甲醇因具有较高的电化学活性而成为研究的热点，该类电池被称为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）。

直接甲醇燃料电池的研究基本与H2/O2型PEMFC同时起步，但其早期采用的是酸性或碱性液体电解质，电池性能很差[25]。20世纪90年代初，受H2/O2型PEMFC的启发，直接甲醇燃料电池开始采用固态的全氟磺酸膜作为电解质，形成了现在的DMFC，电池性能得到了极大的提高。DMFC与H2/O2型PEMFC的电池结构基本一样，差别主要在于DMFC的阳极采用的不是Pt/C催化剂，而是对甲醇催化活性较高的Pt-Ru/C。电池工作时，甲醇水溶液从流道穿过扩散层进入电池的阳极催化层，在Pt-Ru/C的催化作用下分解为CO2、电子和H+。CO2经扩散层反向扩散至流道排出，H+经过质子交换膜到达阴极催化层，与阴极的O2和从外电路传导至阴极的电子发生反应产生水。DMFC的电极半反应和电池总反应为：

阳极：

阴极：

总反应：

与H2/O2型PEMFC相比，DMFC的显著优点在于使用的燃料为廉价易得、储运方便的液体甲醇，且水热管理简单，辅助配件少。DMFC体积小、质量轻，因此非常适合当作便携式电源用于手机、笔记本等。目前DMFC面临着两大技术难题：①阳极催化剂对甲醇的催化活性低，电池的功率密度偏小；②电池运行时，甲醇容易随水透过膜扩散至阴极，毒化阴极催化剂并与O2直接发生反应形成混合电路。

1.3.2 典型的应用系统架构

质子交换膜燃料电池系统是一个非线性、多输入、强耦合的复杂系统，其中电堆模块是整个系统发电的核心部件，也是最复杂的部件。要想使燃料电池系统持续、稳定地运行，除了维持核心部分电堆模块的正常运转外，还需要为其搭配一些辅助部件。这些辅助部件则构成了燃料电池的附属系统。电堆模块与附属系统之间既存在区别又存在联系。如图1-2所示，实际的PEMFC应用系统涉及以下子系统：空气供给子系统、氢气供给子系统、增湿/水管理子系统、热管理子系统、电力调节子系统、控制/监督子系统。

1 空气供给子系统

空气供给子系统负责为电堆模块的阴极侧提供反应所需的氧气，同时提供足够的空气流量、空气压力和适宜的湿度。如图1-3所示，空气供给子系统主要由空气过滤器、空气流量计、空气压缩机、供应与排出管道、电堆阴极流道及相应的出入堆口温度、压力传感器等模块组成。

空气通常由鼓风机或压缩机提供，该鼓风机或压缩机位于进气口处。通过调节鼓风机或压缩机，可以保持足够的空气，以在整个功率范围内保持所需的阴极化学计量流速（Stoichiometric Ratio，SR）。适当的流速可以使堆栈在最佳和有效的状态下运行，若空气流量严重不足，则可能会导致电池输出功率下降，甚至损坏电池。空气供给子系统的另一个功能是为燃料电池堆提供适当的空气压力。空气在入口处的压力通常从略高于大气压的压力加压至2.5Pa[27]。实际上通过实验可以发现，较高压力下运行燃料电池会提升电堆的输出功率。然而，高压会导致与压缩机相关的较高的能量消耗，因此应该在提高堆栈级效率和降低系统级功率损耗之间应折中考虑。压力调节需要在反应物出口处使用可变的下游压力阀（喷嘴）。流速和气压的控制通常是耦合的。

在空气进入电堆前需要通过空气过滤器，空气过滤器通常为双层结构，外层为物理过滤层，主要过滤空气中的微粒；内层为化学过滤层，主要过滤危害阴极侧触媒的化学成分，流经空气过滤器的空气压力损耗一般忽略不计。空气流量计用于计量阴极侧的空气流量，其测量精度决定了空气回路中的流量控制精度。出堆口与入堆口处的温度、压力传感器用于测量阴极侧出堆口和入堆口空气的温度与压力信号，并将其传输至控制器中，由控制器进行数据处理与分析工作。

通常在电堆运行时需要过量提供反应所需的氧气，而过量的氧气是通过调节空气供应回路的空气流量来实现的，具体方法是通过改变空气压缩机（简称空压机）的转速来实现。此外，空气回路的压力控制也非常重要，合适的压力梯度有利于阴极液态水的排出，同时需要保证阴阳极的压差在质子交换膜的可承受压力范围内。空气回路的流量与空气压缩机的转速及压力有关，压力与流量两个物理量耦合程度较高，因而难以直接控制，通常需要建立空气压缩机的数学模型并设计解耦控制算法，从而实现两个物理量的相对独立控制。

2 氢气供给子系统

与空气供给子系统类似，氢气供给子系统主要负责为电堆模块的阳极侧提供反应所需的氢气，同时提供足够的氢气流量、氢气压力和适宜的湿度。图1-4为氢气供给子系统的组成，它主要由比例阀、温度与压力传感器、疏水阀、排气阀和阳极流道等模块组成。

一般而言，储氢瓶中的氢气经过二级减压后到达比例阀前端的压力为800kPa左右，比例阀后端的氢气压力最高不能超过50kPa，因此比例阀通常承担降压、调压和调节流量的功能。疏水阀安装在氢气供应回路的出口处，主要作用是将管道内的冷凝水排放至管道外，提高氢气的干燥程度。出堆口与入堆口处的温度、压力传感器用于计量出堆口和入堆口处氢气的温度与压力信号。

为了增加燃料电池汽车的行驶里程并提高氢气的利用率，氢气供应系统采用阳极死端模式：正常运行时紧闭排气阀；当阳极氮气的累积及水淹问题导致电堆性能下降时开启排气阀，排出累积的氮气及液态水。此外相较于阳极管道的口径，排气阀的口径建议采用其1/4口径，以减小排气扰动对氢气压力控制的影响。

氢通常从储氢瓶中供应，因为就目前的技术而言，氢通常被压缩储存。由于阀门、压力调节器和流量调节器的参与，氢气的压力和流量可以被控制。氢可以以封闭式或流通的模式供应。在封闭式的模式中，氢气出口关闭，氢气在燃料电池中消耗。由于从阴极侧扩散的杂质、水蒸气和氮气可能随着运行而积聚，因此通常需要定期吹扫氢气室[28]。在流通模式中，过量的氢气流过流道，这意味着阳极化学计量流量（Sa）大于1。未使用的氢气通过喷射器或泵装置返回到入口侧。在流通模式操作中，通常需要分离和收集可能存在于阳极出口处的任何液态水。

3 增湿/水管理子系统

质子交换膜燃料电池中质子的传导性和膜的含水量之间有直接的关系，因此需要保持膜适当的湿度，以确保在电池运行期间可靠的离子传导性。为了提高空气进气的温度和湿度，同时利用空气尾气中的热量和水气，采用增湿焓轮将空气进气和空气尾气进行热交换和水气交换。阴极侧产生的水和空气中的水分通常不足以维持膜的湿度。解决这个问题的一种常见方法是在它们进入流道之前添加一个加湿器，用来加湿空气、氢气或两者的混合物。当然，还可以采用其他各种加湿方案，例如通过水鼓泡气体，直接注水或注入水蒸气，通过水可渗透介质交换水等。

4 热管理子系统

在将化学能转化为电能时，质子交换膜燃料电池的效率通常低于60%。如果这些热量不能及时合理地从电堆中释放，则可能导致电堆局部出现过热现象，轻则减少使用寿命，重则电堆报废[29]。这意味着其中少部分热量通过气体排出，绝大部分热量需要通过散热风扇及冷却管道来带走。研究发现，在60～80℃之间运行质子交换膜燃料电池可以获得更高的效率。为了使质子交换膜燃料电池在这个有利的温度区间内工作，必须采用冷却部件。热管理系统主要负责调节电堆模块的温度，维持系统的热平衡。其组成如图1-5所示，该系统主要由冷却管道、散热风扇、循环水泵、散热器、去离子器及温度与电导率传感器等模块组成。其具体运行过程如下：当电堆温度较高时，让冷却液流经大循环回路，利用冷却管道和其他散热设备将热量带走，让电堆处于较理想的工作温度点。正常运行时，电堆内部的工作温度无法直接测量，只有通过冷却液的出堆温度来进行判断。合理的电堆温度可以让电堆处于合理的湿度范围，保证电堆良好的输出性能。整个回路中散热风扇的转速是一个重要的控制量。通过闭环控制调节散热风扇的转速大小，从而调节冷却液的入堆温度，最终保证电堆处于一个良好的温度范围。

冷却液流经电堆内部并吸收热量，循环水泵负责输送带着巨大热量的冷却液途经散热风扇，最后返回至冷却液的入堆口处，它是维持系统热平衡的重要部件之一，通常会与散热风扇配合使用。此外，冷却液流经电堆时，和各节的双极板均有接触，因此必须确保冷却液具有足够的绝缘阻抗，否则会导致电堆内部短路，严重情况下甚至会导致燃烧爆炸的后果。因此，在回路中配备电导率传感器，来时刻监测冷却液的电导率，防止人身安全事故的发生。同时，回路中还增加了去离子器，用来降低回路冷却液的电导率。通常去离子器和电导率传感器之间会相互配合使用，当系统中冷却液的电导率过大且无法降低时，需要开启去离子器或通过散热器更换冷却液。

5 电力调节子系统

当在负载变化的情况下使用堆栈时，燃料电池堆栈的输出电压不是恒定的。此外，电池组的输出功率通常不适合负载的电压。DC/DC变换器是一种将直流电能变换为负载所需的电压或电流可控的直流电能的装置。它通过高速通断控制把直流电压斩成一系列的脉冲电压（也叫斩波器），通过控制通断占空比或通断周期来改变这一序列的脉冲宽度，以实现对电压平均值的调节，经过滤波器滤波，最后在被控负载上得到电流或电压可控的直流电能。DC/DC变换器用于将堆栈电压调节到固定值，该值可以高于或低于输出堆栈电压。请注意，根据应用对象，可能需要多个DC/DC变换器来产生不同的输出电压。例如，在燃料电池车辆中，存在用于辅助子系统的DC/DC变换器和用于主电源的DC/DC变换器。为辅助子系统设计的变换器的输出功率可以提供给辅助子系统中的组件，例如空气压缩机、冷却风扇和启动电池。在主电源中的DC/DC变换器中，电源逆变器和电动机通常是主要部件[30]。

6 控制/监督子系统

为了使质子交换膜燃料电池系统在高效安全的状态下运行，各种子系统应该正常运行和协作。控制/监督子系统在实现这些目标方面发挥着重要作用。一方面，它通过合成来自采样数据的操作信息，可以给出命令以有效地控制不同的子系统；另一方面，它还可以利用监督功能检测异常状态。

PEMFC系统的负载经常发生变化，因此必须由控制/监督子系统对系统各部分进行实时监控，并根据负载的变化不断跟踪、调整氢气和空气的进气量。为保证PEMFC系统安全、高效、稳定地运行，控制/监督子系统需包括启动控制程序、停机控制程序、故障检测报警程序，以及关键参数的检测报警程序、运行参数的调整和控制程序。控制/监督子系统由温度及压力传感器等多种传感元件、电磁阀等执行元件和计算机控制软件构成。控制/监督子系统最终可实现PEMFC系统的全自动运行。