《燃料电池技术》课件-1.1.4燃料电池的基本结构

氢能技术应用专业教学资源库燃料电池的基本结构目录CONTENTS02燃料电池堆的结构01燃料电池单电池的基本结构燃料电池系统的结构0301燃料电池单电池的基本结构燃料电池单电池的基本结构不同类型燃料电池，其基本结构基本相同。一般都包括阳极、阴极、电解质、催化剂等，具体来说，一般包括电解质隔膜、双极板、催化剂层、气体扩散层等燃料电池单电池的基本结构部件功能电解质隔膜传导质子，隔离反应气体的作用。催化剂层由催化剂和催化剂载体形成的薄层。气体扩散层由导电材料制成的多孔材料，主要功能是支撑催化剂层，收集电流，为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。双极板阻隔燃料和氧化剂，收集和传导电流，导热，将各个单电池串联起来，并通过流道为反应气体进入电极及水的排出提供通道。燃料电池单电池的基本结构不因为具体的材料特性、工作环境、工作温度等，其具体的形状、细节工艺和结构、具体的化学反应有所差别。以质子交换膜燃料电池为例，单电池结构包括膜电极、双极板、端板。膜电极由质子交换膜、催化剂、碳纸（气体扩散层）组成。质子交换膜燃料电池实物

质子交换膜单电池结构02燃料电池堆的结构燃料电池堆的结构1燃料电池产生的能量取决于几个因素，如燃料电池类型、反应面积、物质活性、工作温度和供应给电池的气体压力。单个燃料电池的输出电压一般小于1V，单电池的输出电流等于电流密度×膜电极的活性面积。单个的燃料电池通常被串联成一个燃料电池堆，一个典型的燃料电池堆可能由数百个燃料电池组成，达到一定的功率，才能满足不同负载的功率需求。燃料电池堆的结构2质子交换膜燃料电池电堆是多个单体电池组合压制而成。电堆由膜电极（由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成）、双极板、端板等组成。电堆结构里，膜电极和双极板重复堆叠，形成燃料电池的串联结构。燃料电池堆的结构3氢氧质子交换膜燃料电池的理论开路电压为1.229V，但由于多种因素的影响，燃料电池的实际开路电压达不到理想值，一般在1V左右。在燃料电池放电中，还存在三种主要的电压损耗，分别被称为活化极化损失、欧姆极化损失和浓差极化损失。例如：氢气和氧气分子中原子间共价键断裂需要吸收能量（活化极化），电子零部件内阻和彼此之间的接触电阻（欧姆极化），生成的水太多无法及时排出影响后续反应气体进入（浓差极化）等因素，都会导致电压损失。03燃料电池系统的结构燃料电池系统的结构氢燃料电池系统由电堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统、电控系统组成。此外，大的氢燃料电池系统也包括数据采集系统。燃料电池系统的结构氢燃料电池的典型应用为交通工具，以氢燃料电池电动汽车为例，分析其氢燃料电池动力系统。氢燃料电池电动汽车的动力系统包括燃料电池系统、高压储氢罐、燃料电池升压器、蓄电池组、驱动电机等。燃料电池系统的结构氢燃料电池汽车动力系统的工作流程氢燃料电池汽车动力系统各部件功能1电控系统的DC-DC变换器可以把电堆产生的直流电升降压后给给蓄电池充电，也可以在经过逆变器转变成交流电驱使牵引马达运转。牵引马达的供电源主要是电堆，蓄电池起辅助作用，对功率需求进行削峰填谷减小燃料电池堆输出波动。氢燃料电池汽车动力系统各部件功能2热管理系统、电控系统和数据采集系统在在燃油车应用多年，技术比较成熟，而电堆、氢气供给循环系统、空气供给系统是氢燃料电池发动机的特有部件。氢燃料电池汽车动力系统各部件功能3电堆产生电能，是燃料电池动力系统的核心部件。电堆由多个燃料电池串联堆叠而成，形象地称为电堆。氢燃料电池汽车动力系统各部件功能4膜电极是燃料电池的核心部件，是氢气和氧气反应生成水的电化学反应场所。氢燃料电池汽车动力系统各部件功能5氢气供给系统的主要部件有储氢瓶（罐）、减压阀、电磁阀和氢气循环泵或引射器。在安全性方面，储氢瓶最值得关注。储氢瓶分为5种类型（表1-1-8），第III、IV、V型可用于车载储氢瓶，V型瓶处于全球研发中。Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型Ⅳ型Ⅴ型

纯钢制金属外部无包裹钢质内胆径向纤维树脂复合材料缠绕铝内胆全向纤维树脂复合材料缠绕塑料内胆全向纤维树脂复合材料缠绕无内胆全向纤维树脂复合材料缠绕氢燃料电池汽车动力系统各部件功能6空气供给系统主要包括滤清器、空气压缩机（空压机）、增湿器、中冷器、节气门等，重要部件为空压机。空压机是为燃料电池提供空气的设备，常用空压机分为罗茨式、涡旋式空压机、螺杆空压机和离心式空压机。目前车载空压机的主流是罗茨式空压机和离心式空压机。空压机种类优势劣势罗茨式流量压力范围宽、结构简单、成本低、工艺难度低叶片少，脉动大，噪音大、体积大，重量重、高压段效率低涡旋式效率高、力矩变化小，平衡性好，噪音低、结构简单，可靠性高成本高、涡旋体型线加工精度高、密封要求高，密封结构复杂螺杆式流量压力范围宽、压比大、内压缩，容积效率高低压段效率低，内压缩，冷却要求高