发动机基本原理

PEMFC的基本组成为电极（阴极和阳极）、多孔质气体扩散层、质子交换膜和催化层。其中，气体扩散层、质子交换膜和催化层为一个类似于“三明治”的整体，称为膜电极三合一组件。燃料电池的最外层是由改性不锈钢或纯石墨制成的双极板；次外层为密封垫片，材料是聚四氟乙烯或橡胶；接着是集电流网，为经憎水化处理的纤细钛网或镍网；中间为膜电极三合一组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）。MEA 是PEMFC 单体的心脏。PEMFC单体结构如图3−2所示。

图3−2 PEMFC单体结构[10]

1—气道槽；2，8—双极板；3，7—垫片； 4，6—集电流网；5—MEA；9—进/出气孔

MEA是燃料电池的关键组件，由表面涂有纯铂（Pt）或碳载铂（Pt /C）或碳载铂钌（Pt Ru /C）催化剂的多孔气体扩散阳极、阴极和置于二者之间的全氟磺酸型固体高分子聚合物电解质层构成。MEA 是经热压工艺黏合成所需大小的薄膜，厚度一般小于1 mm。每个单体包含一个MEA，多个MEA串联堆叠，组装在一起成为电堆，共用空气和氢气流道，以提高输出电压，如图3−3所示。

图3−3 燃料电池堆结构

PEMFC的工作原理如图3−4所示。当分别向双极板进气孔供给湿润的氢气与氧气（或者空气）时，气体在气道槽内流动，并渗透到MEA的多孔气体扩散阳/阴极层中。在MEA的阳极层中，氢分子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子。氢离子穿过MEA 的电解质层转移到阴极，电子从外电路负载流向阴极，其化学反应式为

在MEA的阴极层中，氧分子在催化剂Pt的作用下首先分离为氧原子，接着与穿过MEA电解质层的氢离子和经外电路流到阴极的电子发生电化学反应生成水，并释放出热量Q0。其电化学反应式为

整个反应过程可表示为

图3−4 PEMFC的工作原理

PEMFC的单体输出电压vcell可用式（3.4）表示：

v cell=E−vact−vohm 　 （3.4）

式中，vcell为实际电压，E为热力学电动势，vact为活化过电压，vohm为欧姆过电压，单位都为V。

根据氢氧燃料电池的Nernst方程，可得其热力学电动势E的计算式（3.5）：

式中，stT为电堆温度（K），p H2为电堆内部氢气分压（Pa），pO2为电堆内部氧气分压（Pa）。

活化过电压可由经验公式（3.6）表示：

式中，i为电流密度（A/cm2），V0为电流密度为零时的电压降（V），Va和c1为常数。

欧姆过电压主要由质子交换膜的等效膜阻抗和电极与集流板对质子传递的阻抗产生，可由式（3.7）表示：

V ohm=i Rohm 　 （3.7）

式中，Rohm为燃料电池内阻（Ω icm2），由式（3.8）计算得出：

式中，mt 为质子交换膜厚度（cm），σm为膜传导率（Ω−1/cm）。

由n片燃料电池串联在一起就组成了燃料电池堆，其电压Vst可由式（3.9）

表示：

V st=n⋅vcell　 （3.9）

单个PEMFC的电压最大值为其开路电压，一般为0.97 V。而实际使用电负载的电压等级往往要高于单电池电压值，如12 V、48 V或380 V等。为了获得更高的输出电压，将一定数量的单个PEMFC通过双极板串联起来。由多个单电池串联起来的部件称为电堆，其结构示意如图3−5所示。因此，电堆的电压是串联起来的单电池电压的总和。电堆内单电池数量越多，其开路电压越高。为了使电堆安全可靠地运行，必要的辅助零部件，如空压机或鼓风机、增湿器、压力调节器、DC/DC变换器等安置在电堆周围，构成PEMFC系统。PEMFC系统可按照各子系统功能分为空气/燃料供应系统、冷却系统以及控制系统。

1. 空气/燃料供应系统

PEMFC 的燃料一般为氢气或者富含氢的气体，如甲醇、甲烷等，除纯氢外，其他燃料需要通过一套重整系统处理才能送入电池，阴极侧的氧化剂常用的是空气或者纯氧。燃料供应系统采用高压气体容器储氢较为常见，也可用金属材料等固体储氢。空气供应系统主要包括空气泵和空气滤清器，空气泵消耗的能量由燃料电池本身提供，空气在进入电堆之前先经过一个空气滤清器，除去灰尘等杂质。空气供应系统的主要功能如下[11]：

图3−5 PEMFC电堆结构示意

（1） 输送空气。空气供应系统为燃料电池堆提供足够的空气量，用以完成电化学反应。

（2） 加压。通常情况下，供应给电堆的空气需要加压（常用空气压力为1.0～2.5 bar[1]）。

（3） 增湿。对空气的增湿与燃料电池系统水/热管理有关。

（4） 清洁空气。在空气进入电堆之前，需要将所有颗粒和化学物质（如一氧化碳）除去，因为这些颗粒和化学物质可能对电堆催化剂和电解质膜造成危害。

2. 冷却系统

燃料电池工作时产生的热会使电堆的温度不断升高，而燃料电池的工作温度一般为70 ℃～90 ℃，这就需要冷却系统对电池温度进行控制。冷却系统一般包括循环泵、散热器、膨胀水箱、电磁阀等，常见的布置方式如图3−6所示。

图3−6 常见的冷却系统布置方式（见彩插）

3. 控制系统

在燃料电池系统中必须有控制系统，保证不同负载条件下反应气体流量、温度和压力等在设定的范围内，以确保燃料电池运行的稳定性和可靠性，同时也要确保系统起动和停止时的可靠性。

燃料电池发动机系统是一种多输入多输出的非线性系统，系统的温度、湿度、压力、流量、负载等诸多变量之间具有非常复杂的非线性关系，各种分布参数和变量之间有强耦合性，例如，系统的温度、湿度、压力等在电堆内部存在较强的耦合关系，进气流量的变化对其他变量的影响很大等。不仅如此，燃料电池发动机系统具有时变性，系统反应物、操作条件和负载等随时都在发生变化且变化速度各异。总之，因为存在系统内部、外部的各种变化，加之系统自身的复杂性，燃料电池发动机系统的内部状态随空间和时间发生变化，这对燃料电池系统的控制提出了很大挑战。

图3−7所示为某款燃料电池汽车配置的PEMFC系统结构，其子系统中常见辅助零部件功能及类型见表3−1。

表3−1 PEMFC各子系统中常见辅助零部件功能及类型

续表

图3−7 某款典型车用PEMFC系统

根据不同的运行条件和不同的膜材料，PEMFC 系统被分为不同的类型。表3−2列出了各种PEMFC系统的特点和应用。目前，燃料电池汽车（FCV）多数采用高压燃料电池系统，即空气进堆压力达到0.2～0.4 MPa，空气输送采用空压机。对于车用低压系统的技术路线，近年来也有了一些积累，如同济大学与上汽为2008年北京奥运会联合开发的基于Passat领驭平台的燃料电池汽车采用的是低压PEMFC系统技术路线。PEMFC系统工作压力一般由空气进堆压力和氢气进堆压力共同确定。氢气进堆压力一般要求高于空气进堆压力0.2～0.5 bar。对于高压燃料电池系统，空气进堆压力要求大于0.2 MPa。对于低压燃料电池系统，空气进堆压力最高为0.2 MPa。在高压系统中，空气和氢气以很高的流速进入燃料电池堆，系统对载荷的变化能够快速响应；而低压系统的动态响应相对而言要慢一些。此外，高压燃料电池系统的进气通道尺寸要比低压燃料电池的小。这样，一方面使得燃料电池的电流密度增大（功率密度也相应增大）；另一方面，对于同样的空气流量，流道背压增加往往需要特殊的空压机与之匹配，使得系统的辅助消耗增加。低压系统由于工作电流密度较低，载荷动态变化较慢，电池堆承受的压力低，系统的可靠性和耐久性会更高些，但低压系统的体积较大，不利于在车载环境下进行安装。国内外车用PEMFC系统研发的实践和经验表明，系统工作压力可能会从高、低两端向中间发展，取长补短，这将是未来燃料电池系统的变化趋势之一。在目前的汽车应用中，由于封装和高功率密度的需求，会优先考虑工作压力较高的PEMFC系统。

表3−2 各种PEMFC系统的特点和应用