工作原理及系统组成

工作原理

燃料动力电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图1）。但与原电池不同的是，燃料动力电池中的反应物并非预先存储于电池内部，而是在发生反应时通入燃料气和氧化气反应后并排出生成物，因此，燃料动力电池并非能量存储装置而属于转化装置，在反应过程中其电极和电解质并未直接参与到反应中。

系统组成

低温高能量密度18650 3500mAh 比能量252Wh/kg，-40℃放电容量≥70%

充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃支持最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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燃料动力电池发电要有一相对复杂的系统，除了燃料动力电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等，其重要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料动力电池电堆（或模块）组成了燃料动力电池发电系统。燃料动力电池系统的复杂性给运行的可靠性带来了挑战。

燃料动力电池堆是燃料动力电池动力系统的核心。它通过燃料动力电池中的电化学反应出现直流电（DC）。单个燃料动力电池出现的电流小于1v，因此，单个的燃料动力电池通常被串联成一个燃料动力电池堆，一个典型的燃料动力电池堆可能由数百个燃料动力电池组成。燃料动力电池出现的能量取决于几个因素，如燃料动力电池类型、电池尺寸、工作温度和供应给电池的气体压力。

燃料处理器

燃料处理器将燃料转换成燃料动力电池可用的形式。根据燃料和燃料动力电池类型的不同，燃料处理器可以是一个简单的去除杂质的吸附剂床，或多个反应堆和吸附剂的组合。

功率调节器

无磁低温18650 2200mAh -40℃ 0.5C放电容量≥70%

充电温度：0~45℃
放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃放电容量保持率：0.5C放电容量≥70%

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功率调节包括控制电流（安培数）、电压、频率等电流特性，以满足应用的要。燃料动力电池以直流电（DC）的形式发电。在直流电路上，电子只向一个方向流动。假如燃料动力电池被用来为使用交流电的设备供电，则必须将直流电转换为交流电。

空气压缩机

燃料动力电池性能随着反应物气体压力的新增而提高；因此，许多燃料动力电池系统都包括一个空气压缩机，它可以将进口空气压力提高到环境大气压力的2～4倍。关于运输应用，空压机的效率应至少达到75%。在某些情况下，还包括一个膨胀器，以从高压废气中恢复电力。扩展机效率应至少达到80%。

增湿器

PEM燃料动力电池的核心聚合物电解质膜在干燥时不能很好地工作，因此许多燃料动力电池系统都为进气口安装了加湿器。加湿器通常由一层薄膜组成，该薄膜可以由与PEM相同的材料制成。通过在加湿器的一侧流动干燥的进口空气和在另一侧流动潮湿的排气空气，燃料动力电池出现的水可以被循环利用，以保持PEM良好的水化。

2.3关键材料与部件

聚合物电解质膜（PEM）燃料动力电池是当前燃料动力电池汽车应用研究的热点。PEM燃料动力电池由几层不同的材料制成。PEM燃料动力电池的重要部件如图3所示。PEM燃料动力电池的核心是膜电极组件（MEA），包括膜、催化剂层和气体扩散层（GDLs）。硬件组件用于一个意味着合并到燃料动力电池包括垫片，它供应一个密封是防止泄漏的气体，和双相钢板，用于组装个人PEM燃料动力电池与燃料动力电池堆栈和供应气体燃料和空气的通道。

催化剂（catalyst）是燃料动力电池的关键材料之一，其用途是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。由于氧还原反应（ORR）交换电流密度低，是燃料动力电池总反应的控制步骤。目前，燃料动力电池中常用的商用催化剂是Pt/C，由Pt的纳米颗粒分散到碳粉（如XC-72）载体上的担载型催化剂。

质子交换膜是一种聚合物电解质膜，在燃料动力电池中起着传导质子、隔离阴极和阳极反应物的重要用途，在制备CCM型膜电极时也被作为催化剂支撑体，是燃料动力电池的核心器件，也是决定燃料动力电池性能、寿命及成本的关键部件。在实际应用中，要求质子交换膜具有高的质子传导率和良好的化学与机械稳定性。

膜电极组件（membraneelectrodeassemblyMEA）是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，也是燃料动力电池的核心部件之一。目前，国际上已经发展了3代MEA技术路线（图4）。其中第一代、第二代技术已基本成熟，国内新源动力、武汉新能源等公司均可以供应膜电极产品。第三代有序化膜电极技术国内外还处于研究阶段。

燃料动力电池双极板的用途是传导电子、分配反应气并协助排出生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；从性能的稳定性方面要求双极板在燃料动力电池酸性（pH=2～3）、电位（～1.1V）、湿热（气水两相流，～80℃）环境下具有耐腐蚀性且对燃料动力电池其他部件与材料的相容无污染性，具有一定的憎水性协助电池生成水的排出；从产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。燃料动力电池常采用的双极板材料包括硬碳板、复合双极板、金属双极板3大类。

燃料动力电池电堆（FuelCellStack）是燃料动力电池发电系统的核心。通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆通常由数百节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式（如串并联）流过每节单电池。燃料动力电池电堆的均一性是制约燃料动力电池电堆性能的重要因素。