淺談氫燃料電池汽車的主要結(jié)構(gòu)

氫燃料電池汽車是一種使用燃料電池為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車，與鋰離子電池組相同，它們不會(huì)產(chǎn)生有害排放物，唯一的副產(chǎn)品是水蒸氣。

1  氫燃料電池的工作原理

   

氫燃料汽車是電動(dòng)汽車的一種，使用燃料電池為汽車提供動(dòng)力，而不是鋰離子電池組；它們不像汽油車那樣燃燒燃料。與電動(dòng)汽車一樣，氫能汽車不會(huì)產(chǎn)生有害排放物，唯一的副產(chǎn)品是水蒸氣。由于它們是電動(dòng)汽車，所以也被稱為燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。

與電動(dòng)汽車電池中的鋰離子電池一樣，氫能汽車也有多個(gè)燃料電池同時(shí)工作發(fā)電。這些電池的集合稱為氫燃料電池堆。

來自儲(chǔ)氫罐的氫氣與燃料電池堆內(nèi)的氧氣結(jié)合產(chǎn)生電力。電子從氫氣中分離出來，通過電路為發(fā)動(dòng)機(jī)供電，并與電路另一端的氧氣結(jié)合形成水蒸氣，通過汽車尾氣排出。

如上圖所示，氫燃料電池產(chǎn)生的電能根據(jù)情況可以有兩種模式。這些電能可以直接為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，也可以為一個(gè)小型鋰離子電池充電，該電池可為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，并可儲(chǔ)存電能以供日后使用。

2  氫燃料電池電動(dòng)汽車的主要部件

輔助電池：在電動(dòng)汽車中，低壓輔助電池可在牽引電池啟動(dòng)前提供啟動(dòng)汽車的電力；它還可為汽車零部件供電。

動(dòng)力電池組：這種高壓電池可儲(chǔ)存再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并為電動(dòng)牽引電機(jī)提供補(bǔ)充動(dòng)力。

DC/DC轉(zhuǎn)換器：該裝置將牽引電池組的高壓直流電轉(zhuǎn)換為運(yùn)行車輛附件和為輔助電池充電所需的低壓直流電。

牽引電機(jī)：該電機(jī)利用燃料電池和牽引電池組的電力驅(qū)動(dòng)車輛的車輪。

燃料電池堆：利用氫氣和氧氣發(fā)電的獨(dú)立膜電極組件。

燃料加注器：燃料加注機(jī)的噴嘴連接到車輛上的容器上，為油箱加注燃料。

儲(chǔ)氫罐：在燃料電池需要?dú)錃庵?，將氫氣?chǔ)存在車內(nèi)。

電控系統(tǒng)（FCEV）：該裝置管理燃料電池和牽引電池提供的電能，控制電動(dòng)牽引電機(jī)的速度及其產(chǎn)生的扭矩。

熱管理系統(tǒng)（FCEV）：該系統(tǒng)可保持燃料電池、電動(dòng)馬達(dá)、電力電子設(shè)備和其他組件在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)。

變速箱（電動(dòng)）：變速箱從電動(dòng)牽引電機(jī)傳輸機(jī)械動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輪。

3  氫燃料電池堆的主要結(jié)構(gòu)

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEM）是目前燃料電池汽車應(yīng)用研究的重點(diǎn)。下面以PEM燃料電池堆為例，主要部件如下：

PEM 燃料電池的核心是膜電極組件 (MEA)，其中包括膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層 (GDL)。另外，用于將 MEA 裝入燃料電池的硬件組件包括密封墊和雙極板，前者用于密封 MEA，防止氣體泄漏，后者用于將單個(gè) PEM 燃料電池組裝成燃料電池堆，并為氣態(tài)燃料和空氣提供通道。

膜電極組件（MEA）

膜、催化劑層（陽(yáng)極和陰極）和擴(kuò)散介質(zhì)共同構(gòu)成了 PEM 燃料電池的膜電極組件 (MEA)。

聚合物電解質(zhì)膜

聚合物電解質(zhì)膜或 PEM（也稱為質(zhì)子交換膜）是一種經(jīng)過特殊處理的材料，看起來就像普通的廚房保鮮膜，它只傳導(dǎo)帶正電荷的離子，而阻擋電子。PEM 是燃料電池技術(shù)的關(guān)鍵；它必須只允許必要的離子在陽(yáng)極和陰極之間通過。

催化劑層

在膜的兩面都添加一層催化劑,一面是陽(yáng)極層，另一面是陰極層。催化劑層包含納米級(jí)鉑顆粒。這種鉑催化劑夾在膜和 GDL 之間。在陽(yáng)極側(cè)，鉑催化劑使氫分子分裂成質(zhì)子和電子。在陰極一側(cè)，鉑催化劑與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，生成水?；旌显诖呋瘎又械碾x子聚合物可使質(zhì)子穿過這些層。

氣體擴(kuò)散層（GDL）

氣體擴(kuò)散層位于催化劑層之外，有助于將反應(yīng)物輸送到催化劑層，并去除生成物中的水。每個(gè) GDL 通常由一張?zhí)技埥M成，其中的碳纖維部分涂有聚四氟乙烯 (PTFE)。氣體通過 GDL 的孔隙快速擴(kuò)散。疏水性聚四氟乙烯使這些孔隙保持開放，從而防止水分過度積聚。

雙極板

在典型工作條件下，每個(gè)單個(gè) MEA 產(chǎn)生的電壓低于 1 V，但大多數(shù)應(yīng)用需要更高的電壓。因此，多個(gè) MEA 通常通過堆疊的方式串聯(lián)起來，以提供可用的輸出電壓。堆疊中的每個(gè)電池都夾在兩塊雙極板之間，以便與相鄰電池隔開。這些雙極板由金屬、碳或復(fù)合材料制成，在電池之間提供導(dǎo)電路徑，并為電池堆提供一定機(jī)械強(qiáng)度。板的表面通常包含一個(gè) "流道"，使氣體能夠在 MEA 上流動(dòng)。

密封墊

燃料電池堆中的每個(gè) MEA 都夾在兩塊雙極板之間，但必須在 MEA 邊緣添加墊片，以實(shí)現(xiàn)氣體密封。這些墊片通常由橡膠聚合物制成。