1.3 PEMFC分類

1.3.1 不同方式的分類

燃料電池的分類方式有很多，常用的方式是按照燃料電池電解質性質和工作溫度進行分類。

因為電解質可以分為酸性、堿性、熔融鹽類或固體類，所以燃料電池可以分為五類：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。

按工作溫度范圍的不同，一般把堿性燃料電池（AFC，100℃）和質子交換膜燃料電池（PEMFC，100℃以內）歸為低溫燃料電池，將磷酸燃料電池（PAFC，200℃）歸為中溫燃料電池，把熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，650℃）和固體氧化燃料電池（SOFC，1000℃）稱為高溫燃料電池，各類燃料電池特征見表1-1。

目前，PEMFC按照燃料的種類和來源分類，可以分為四類：氫氧質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、直接乙醇燃料電池、直接甲酸燃料電池[23]，而后三者又可以統稱為碳質化合物質子交換膜燃料電池，現分別闡述。

1 氫氧質子交換膜燃料電池（H2/O2型PEMFC）

H2/O2型PEMFC是目前研究最為充分，也是技術最為成熟的質子交換膜燃料電池，習慣上，PEMFC也專指H2/O2型燃料電池。H2/O2型PEMFC具有較高的功率密度（可達2.0W/cm2[24]），遠遠超過了其他類型的燃料電池。雖然各種H2/O2型PEMFC汽車和固定發電站早已試運行，但目前該類電池仍存在一些缺點，使其尚不能進入規模化的商業應用。這些缺點主要有：①所用的質子交換膜、催化劑價格昂貴；②電池性能的穩定性不理想；③水熱管理系統復雜；④H2的儲存效率低下。

由于成本的限制，H2/O2型PEMFC只在特殊的應用領域具有競爭力。要想取代目前普遍應用的內燃機，H2/O2型PEMFC除了要進一步提高功率密度外，還需要具有與內燃機相當甚至更低的成本。雖然H2/O2型PEMFC以H2為燃料時性能最佳，但H2需要消耗其他的能量來制取，且H2的體積能量密度小，儲存效率很低。一般認為，PEMFC能運行5000h以上且電池性能沒有明顯的下降時才能在實際中使用，但現在的電池材料難以滿足上述的要求。此外，以加氫站取代加油站，也需要大量的前期資本投入。因此在H2/O2型PEMFC的大規模商業化應用之前，還有一系列的問題亟待解決。

2 碳質化合物質子交換膜燃料電池

除了以H2為燃料外，質子交換膜燃料電池還可以以碳質化合物如甲醇、甲酸、甲醚、乙醇等為燃料直接液體進料。在各種碳質化合物燃料中，甲醇因具有較高的電化學活性而成為研究的熱點，該類電池被稱為直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）。

直接甲醇燃料電池的研究基本與H2/O2型PEMFC同時起步，但其早期采用的是酸性或堿性液體電解質，電池性能很差[25]。20世紀90年代初，受H2/O2型PEMFC的啟發，直接甲醇燃料電池開始采用固態的全氟磺酸膜作為電解質，形成了現在的DMFC，電池性能得到了極大的提高。DMFC與H2/O2型PEMFC的電池結構基本一樣，差別主要在于DMFC的陽極采用的不是Pt/C催化劑，而是對甲醇催化活性較高的Pt-Ru/C。電池工作時，甲醇水溶液從流道穿過擴散層進入電池的陽極催化層，在Pt-Ru/C的催化作用下分解為CO2、電子和H+。CO2經擴散層反向擴散至流道排出，H+經過質子交換膜到達陰極催化層，與陰極的O2和從外電路傳導至陰極的電子發生反應產生水。DMFC的電極半反應和電池總反應為：

陽極：

陰極：

總反應：

與H2/O2型PEMFC相比，DMFC的顯著優點在于使用的燃料為廉價易得、儲運方便的液體甲醇，且水熱管理簡單，輔助配件少。DMFC體積小、質量輕，因此非常適合當作便攜式電源用于手機、筆記本等。目前DMFC面臨著兩大技術難題：①陽極催化劑對甲醇的催化活性低，電池的功率密度偏小；②電池運行時，甲醇容易隨水透過膜擴散至陰極，毒化陰極催化劑并與O2直接發生反應形成混合電路。

1.3.2 典型的應用系統架構

質子交換膜燃料電池系統是一個非線性、多輸入、強耦合的復雜系統，其中電堆模塊是整個系統發電的核心部件，也是最復雜的部件。要想使燃料電池系統持續、穩定地運行，除了維持核心部分電堆模塊的正常運轉外，還需要為其搭配一些輔助部件。這些輔助部件則構成了燃料電池的附屬系統。電堆模塊與附屬系統之間既存在區別又存在聯系。如圖1-2所示，實際的PEMFC應用系統涉及以下子系統：空氣供給子系統、氫氣供給子系統、增濕/水管理子系統、熱管理子系統、電力調節子系統、控制/監督子系統。

1 空氣供給子系統

空氣供給子系統負責為電堆模塊的陰極側提供反應所需的氧氣，同時提供足夠的空氣流量、空氣壓力和適宜的濕度。如圖1-3所示，空氣供給子系統主要由空氣過濾器、空氣流量計、空氣壓縮機、供應與排出管道、電堆陰極流道及相應的出入堆口溫度、壓力傳感器等模塊組成。

空氣通常由鼓風機或壓縮機提供，該鼓風機或壓縮機位于進氣口處。通過調節鼓風機或壓縮機，可以保持足夠的空氣，以在整個功率范圍內保持所需的陰極化學計量流速（Stoichiometric Ratio，SR）。適當的流速可以使堆棧在最佳和有效的狀態下運行，若空氣流量嚴重不足，則可能會導致電池輸出功率下降，甚至損壞電池。空氣供給子系統的另一個功能是為燃料電池堆提供適當的空氣壓力。空氣在入口處的壓力通常從略高于大氣壓的壓力加壓至2.5Pa[27]。實際上通過實驗可以發現，較高壓力下運行燃料電池會提升電堆的輸出功率。然而，高壓會導致與壓縮機相關的較高的能量消耗，因此應該在提高堆棧級效率和降低系統級功率損耗之間應折中考慮。壓力調節需要在反應物出口處使用可變的下游壓力閥（噴嘴）。流速和氣壓的控制通常是耦合的。

在空氣進入電堆前需要通過空氣過濾器，空氣過濾器通常為雙層結構，外層為物理過濾層，主要過濾空氣中的微粒；內層為化學過濾層，主要過濾危害陰極側觸媒的化學成分，流經空氣過濾器的空氣壓力損耗一般忽略不計。空氣流量計用于計量陰極側的空氣流量，其測量精度決定了空氣回路中的流量控制精度。出堆口與入堆口處的溫度、壓力傳感器用于測量陰極側出堆口和入堆口空氣的溫度與壓力信號，并將其傳輸至控制器中，由控制器進行數據處理與分析工作。

通常在電堆運行時需要過量提供反應所需的氧氣，而過量的氧氣是通過調節空氣供應回路的空氣流量來實現的，具體方法是通過改變空氣壓縮機（簡稱空壓機）的轉速來實現。此外，空氣回路的壓力控制也非常重要，合適的壓力梯度有利于陰極液態水的排出，同時需要保證陰陽極的壓差在質子交換膜的可承受壓力范圍內。空氣回路的流量與空氣壓縮機的轉速及壓力有關，壓力與流量兩個物理量耦合程度較高，因而難以直接控制，通常需要建立空氣壓縮機的數學模型并設計解耦控制算法，從而實現兩個物理量的相對獨立控制。

2 氫氣供給子系統

與空氣供給子系統類似，氫氣供給子系統主要負責為電堆模塊的陽極側提供反應所需的氫氣，同時提供足夠的氫氣流量、氫氣壓力和適宜的濕度。圖1-4為氫氣供給子系統的組成，它主要由比例閥、溫度與壓力傳感器、疏水閥、排氣閥和陽極流道等模塊組成。

一般而言，儲氫瓶中的氫氣經過二級減壓后到達比例閥前端的壓力為800kPa左右，比例閥后端的氫氣壓力最高不能超過50kPa，因此比例閥通常承擔降壓、調壓和調節流量的功能。疏水閥安裝在氫氣供應回路的出口處，主要作用是將管道內的冷凝水排放至管道外，提高氫氣的干燥程度。出堆口與入堆口處的溫度、壓力傳感器用于計量出堆口和入堆口處氫氣的溫度與壓力信號。

為了增加燃料電池汽車的行駛里程并提高氫氣的利用率，氫氣供應系統采用陽極死端模式：正常運行時緊閉排氣閥；當陽極氮氣的累積及水淹問題導致電堆性能下降時開啟排氣閥，排出累積的氮氣及液態水。此外相較于陽極管道的口徑，排氣閥的口徑建議采用其1/4口徑，以減小排氣擾動對氫氣壓力控制的影響。

氫通常從儲氫瓶中供應，因為就目前的技術而言，氫通常被壓縮儲存。由于閥門、壓力調節器和流量調節器的參與，氫氣的壓力和流量可以被控制。氫可以以封閉式或流通的模式供應。在封閉式的模式中，氫氣出口關閉，氫氣在燃料電池中消耗。由于從陰極側擴散的雜質、水蒸氣和氮氣可能隨著運行而積聚，因此通常需要定期吹掃氫氣室[28]。在流通模式中，過量的氫氣流過流道，這意味著陽極化學計量流量（Sa）大于1。未使用的氫氣通過噴射器或泵裝置返回到入口側。在流通模式操作中，通常需要分離和收集可能存在于陽極出口處的任何液態水。

3 增濕/水管理子系統

質子交換膜燃料電池中質子的傳導性和膜的含水量之間有直接的關系，因此需要保持膜適當的濕度，以確保在電池運行期間可靠的離子傳導性。為了提高空氣進氣的溫度和濕度，同時利用空氣尾氣中的熱量和水氣，采用增濕焓輪將空氣進氣和空氣尾氣進行熱交換和水氣交換。陰極側產生的水和空氣中的水分通常不足以維持膜的濕度。解決這個問題的一種常見方法是在它們進入流道之前添加一個加濕器，用來加濕空氣、氫氣或兩者的混合物。當然，還可以采用其他各種加濕方案，例如通過水鼓泡氣體，直接注水或注入水蒸氣，通過水可滲透介質交換水等。

4 熱管理子系統

在將化學能轉化為電能時，質子交換膜燃料電池的效率通常低于60%。如果這些熱量不能及時合理地從電堆中釋放，則可能導致電堆局部出現過熱現象，輕則減少使用壽命，重則電堆報廢[29]。這意味著其中少部分熱量通過氣體排出，絕大部分熱量需要通過散熱風扇及冷卻管道來帶走。研究發現，在60～80℃之間運行質子交換膜燃料電池可以獲得更高的效率。為了使質子交換膜燃料電池在這個有利的溫度區間內工作，必須采用冷卻部件。熱管理系統主要負責調節電堆模塊的溫度，維持系統的熱平衡。其組成如圖1-5所示，該系統主要由冷卻管道、散熱風扇、循環水泵、散熱器、去離子器及溫度與電導率傳感器等模塊組成。其具體運行過程如下：當電堆溫度較高時，讓冷卻液流經大循環回路，利用冷卻管道和其他散熱設備將熱量帶走，讓電堆處于較理想的工作溫度點。正常運行時，電堆內部的工作溫度無法直接測量，只有通過冷卻液的出堆溫度來進行判斷。合理的電堆溫度可以讓電堆處于合理的濕度范圍，保證電堆良好的輸出性能。整個回路中散熱風扇的轉速是一個重要的控制量。通過閉環控制調節散熱風扇的轉速大小，從而調節冷卻液的入堆溫度，最終保證電堆處于一個良好的溫度范圍。

冷卻液流經電堆內部并吸收熱量，循環水泵負責輸送帶著巨大熱量的冷卻液途經散熱風扇，最后返回至冷卻液的入堆口處，它是維持系統熱平衡的重要部件之一，通常會與散熱風扇配合使用。此外，冷卻液流經電堆時，和各節的雙極板均有接觸，因此必須確保冷卻液具有足夠的絕緣阻抗，否則會導致電堆內部短路，嚴重情況下甚至會導致燃燒爆炸的后果。因此，在回路中配備電導率傳感器，來時刻監測冷卻液的電導率，防止人身安全事故的發生。同時，回路中還增加了去離子器，用來降低回路冷卻液的電導率。通常去離子器和電導率傳感器之間會相互配合使用，當系統中冷卻液的電導率過大且無法降低時，需要開啟去離子器或通過散熱器更換冷卻液。

5 電力調節子系統

當在負載變化的情況下使用堆棧時，燃料電池堆棧的輸出電壓不是恒定的。此外，電池組的輸出功率通常不適合負載的電壓。DC/DC變換器是一種將直流電能變換為負載所需的電壓或電流可控的直流電能的裝置。它通過高速通斷控制把直流電壓斬成一系列的脈沖電壓（也叫斬波器），通過控制通斷占空比或通斷周期來改變這一序列的脈沖寬度，以實現對電壓平均值的調節，經過濾波器濾波，最后在被控負載上得到電流或電壓可控的直流電能。DC/DC變換器用于將堆棧電壓調節到固定值，該值可以高于或低于輸出堆棧電壓。請注意，根據應用對象，可能需要多個DC/DC變換器來產生不同的輸出電壓。例如，在燃料電池車輛中，存在用于輔助子系統的DC/DC變換器和用于主電源的DC/DC變換器。為輔助子系統設計的變換器的輸出功率可以提供給輔助子系統中的組件，例如空氣壓縮機、冷卻風扇和啟動電池。在主電源中的DC/DC變換器中，電源逆變器和電動機通常是主要部件[30]。

6 控制/監督子系統

為了使質子交換膜燃料電池系統在高效安全的狀態下運行，各種子系統應該正常運行和協作。控制/監督子系統在實現這些目標方面發揮著重要作用。一方面，它通過合成來自采樣數據的操作信息，可以給出命令以有效地控制不同的子系統；另一方面，它還可以利用監督功能檢測異常狀態。

PEMFC系統的負載經常發生變化，因此必須由控制/監督子系統對系統各部分進行實時監控，并根據負載的變化不斷跟蹤、調整氫氣和空氣的進氣量。為保證PEMFC系統安全、高效、穩定地運行，控制/監督子系統需包括啟動控制程序、停機控制程序、故障檢測報警程序，以及關鍵參數的檢測報警程序、運行參數的調整和控制程序。控制/監督子系統由溫度及壓力傳感器等多種傳感元件、電磁閥等執行元件和計算機控制軟件構成。控制/監督子系統最終可實現PEMFC系統的全自動運行。