质子交换膜燃料电池移动电源系统开发

作者：中科院电工所 陆虎瑜 俞涛 陈东兵

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 摘 要：本文简要介绍了质子交换膜燃料电池系统的构成。重点叙述了质子交换膜燃料电池系统研制中需要解决的若干问题及其对燃料电池稳定运行的影响。 关键词：质子交换膜燃料电池，燃料电池统，贮氢器系统 一、 前 言 燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置。燃料电池因其能量转换效率高、基本无污染和积木式结构等优点，受到世界各国的普遍重视。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在技术上取得了突破性进展，已进入实用化阶段。与磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池相比较，质子交换膜燃料电池具有无腐蚀性、寿命长，重量轻、体积小、比功率大，操作温度低、起动快，设计简单、制造容易等特点。但是，在将质子交换膜燃料电池开发成燃料电池电源过程中，仍需要解决若干系统中的关键技术问题，才能构成一个实用化的质子交换膜燃料电池移动电源。 二、质子交换膜燃料电池系统构成 组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体电池。单体电池的电化学电动势大约1伏左右，其电流密度约为每平方厘米百毫安量级。因此，一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体电池的串 联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。除此之外，为保证燃料电池组 成为一个连续、稳定的供电电源，还必须为系统配置氢燃料贮存单元，空气（氧化剂）供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等。一个完整的质子交换膜燃料电池系统如图1所示。 1、燃料电池组（堆） 质子交换膜燃料电池的单体电池，其化学电动势为10－12V，负载时的输出端电压为0.6V－0.8V [ 1 ]。为满足负载的额定工作电压，必须将单体电池串联起来构成具有较高电压的电池组。由于受材料（如：质子交换膜等）及工艺水平的限制，目前单体电池的输出电流密度约在300mA－600mA cm2。因此，欲提高燃料电池的输出电流能力，只有将若干串联的电池组并联，组成具有较大输出能力的燃料电池堆。由于燃料电池堆是由大量的单体电池串并联而成，因而，存在着向每个单体电池供给燃料与氧化剂的均匀性和电池组排热问题。 图1. 质子交换膜燃料电池电源系统框图（略） 2、燃料及氧化剂的贮存与供给单元 为使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电，必须配置燃料（H 2）及氧化剂（O 2或Air）的贮存与供给单元，以便不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的H 2和O 2。燃料供给部分由贮氢器及减压阀组成；氧化剂供给部分由贮氧器、减压阀或空汽泵组成。 3、燃料电池湿度与温度调节单元 在质子交换膜燃料电池运行过程中，随着负载功率的变化，电池组内部的工况也要相应改变，以保持电池内部电化学反应的正常进行。对质子交换膜燃料电池运行影响最大的两个因素，是电池内部的湿度与温度。因此，在电池系统中需要配置燃料电池湿度 与温度调节单元。以便使质子交换膜燃料电池在负荷变化时仍工作在最佳工况下。 4、功率变换单元 质子交换膜燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压因受内阻的影响还随负荷的变化而改变。基 于上述原因，为满足大多数负载对交流供电和电压稳定度的要求，在燃料电池系统的输出端，须要配置功率变换单元。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC变换器；当负载要求直流供电时，也用需要用DC/DC变换器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压。 5、系统控制单元 由上述四个功能单元的配置和工作要求可知，质子交换膜燃料电池电源是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学及自动控制等多学科的复杂系统。质子交换膜燃料电池系统在运转过程中，需要调节与控制的物理量和参数非常多难以手动完成。为使质子交换膜燃料电池系统长时间安全、稳定的发电，必须配置系统控制单元，以实现燃料电池组与各个功能单元的协调工作。 三、质子交换膜燃料电池系统集成中的若干问题 一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，均须配置前述的五个功能单元。每个功能单元在集成到燃料电池系统中时，都需要考虑连接及运转过程中的许多技术问题。这些关键技术，就是质子交换膜燃料电池电源系统研制过程中尚待解决的课题。 1、燃料的贮存与供给 高压钢瓶贮氢是一种常用的氢气贮存方法，贮氢压力为12－15MPa。近年发展起来的高强度纤维增强复合材料耐压容器，贮氢压力可达20－40MPa[2]。当需要向电池供给燃料时，将高压贮氢钢瓶接上减压阀及控制阀门，即可实现氢气的输送。高压钢瓶贮氢方法简单，成本低。但是，在某些应用场合，其安全性应特别引起注意。例如：在大的外力作用或高温条件下，钢瓶存在着爆炸的可能。因此，当把质子交换膜燃料电池系统作为车载移动电源或军用电源时，应选用更加安全可靠的贮氢方法。 采用金属氢化物贮存氢气是一种先进的方法，贮氢后的压力只有0.2－0.6MPa。当金属贮氢器受到外力的破坏时，也不会发生爆炸或燃烧，具有很好的安全性。目前，用于贮氢的金属有钛铁系、镧镍系、镁系及锆系等。其中，钛铁系贮氢材料的贮氢量为18－19％（重量百分比，下同），其平衡压强为12－20MPa，在室温条件下可活化使用。镧镍系贮氢材料的贮氢量为13－15％，其平衡压强低为0.2－0.5MPa，平台压力区宽是其特点。目前，在质子交换膜燃料电池系统中使用金属贮氢方法，尚须解决两方面的问题：一是金属氢化物的贮氢量偏低，重量比能量小，因此，金属贮氢器的体积较大；二是在室温条件下，金属氢化物的释氢率低。例如：在50－60℃的温度下，钛铁系金属氢化物的释氢率达95％以上，在室温20 -30℃时，其释氢率降为50－60％。由于金属氢化物释氢时属吸热反应，在质子交换膜燃料电池系统中使用金属氢化物贮氢时，须解决给金属贮氢器加热的问题。利用燃料电池组产生的余热给金属贮氢器加热，是最为理想的方式。 2、燃料电池的湿度调节与温度控制 1）PEMFC的湿度调节与水管理[3] 在质子交换膜燃料电池中，阳极与阴极之间夹有一极薄的质子交换膜，H+离子即从阳极通过这层质子交换膜到达阴极，并在阴极与O2原子结合成水分子H2O。当质子交换膜的润湿状况良好时，由于电池的内阻低，燃料电池的输出电压高，负载能力强。反之，当质子交换膜润湿状况变坏时，电池的内阻增大，燃料电池的输出电压下降，负载能力降低。在大的负荷下，燃料电池内部的电流密度增加，电化学反应加强，燃料电池阴极侧水的生成也相应增多。此时，如不及时排水，阴极将会被淹，正常的电化学反应被破坏，致使燃料电池失效。由此可知，保持电池内部适当湿度，并及时排出阴极侧多余的水，是确保质子交换膜燃料电池稳定运行及延长工作寿命的重要手段。因此，解决好质子交换膜燃料电池内的湿度调节及电池阴极侧的排水控制，是研制大功率、高性能质子交换膜燃料电池系统的重要课题。 2）PEMFC温度控制[4] 质子交换膜燃料电池内部电化学反应所要求的温度在70－90℃范围。由于运行中的燃料电池不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温。当温度接近100℃时，质子交换膜的强度将下降，甚至遭到破坏。然而，电池内部的温度也不能过低，当温度低于70℃时，燃料电池的输出电压将下降，各种极化增加，整体电性能恶化。此外，在室温条件下为使质子交换膜燃料电池能迅速起动，应给系统的相关部件适当加热。由以上的讨论可以看出，质子交换膜燃料电池的温度控制，也是系统研制中必须考虑的问题。 3）低功耗执行元件及高效率功率变换器 质子交换膜燃料电池移动电源是一种先进、高效率、低噪声的发电设备。为保持燃料电池系统的上述特点，系统中的所有控制执行元件也应具有低功耗、低噪声的优良品质。 用于质子交换膜燃料电池电源的功率变换器，同样也要具有高的功率转换效率。然而，在电力电子设备中，设备总容量愈小，愈难于实现较高的功率转换效率。因此，开发具有高效率的小功率DC/DC、DC/AC功率变换器，也是研制质子交换膜燃料电池系统时的一项十分重要的工作。 四、 结 束 语 质子交换膜燃料电池移动电源是一种高效率、低噪声的新型发电设备。在研制过程中，不仅需要性能优良、运行可靠的质湿度调节与质子交换膜燃料电池组（堆），同时须要燃料贮存、氧化剂（空气）供给、温度调节，以及系统控制等功能单元的科学合理配置。因此，必须重视燃料电池电源系统技术的开发与集成，这是质子交换膜燃料电池走向实用化、商业化的重要环节和必经之路。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/10/2005)