1.5 燃料电池系统

从设备角度讲，燃料电池发电除了需要燃料电池堆外，还需要其他主要设备，包括空压机、增湿器、氢循环泵、高压氢瓶、泵与阀件、监控部件、其他附件等，这些主要设备与燃料电池堆（或模块）组成燃料电池发电装置，如图1-10所示。

图1-10 燃料电池发电装置的设备配置

从系统角度讲，燃料电池系统是一个复杂的系统，只有燃料电池堆本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括氧化剂和燃料供给系统、水管理系统、热管理系统、电气与安全系统以及控制系统等几个子系统，如图1-11所示。

图1-11 燃料电池堆发电系统构成[3]

燃料电池子系统的组成和功能如下：

1）氧化剂供给系统。低压氧化剂供给系统的结构相对简单，一般由空气过滤器、空气流量传感器、鼓风机、增湿器等组成。此系统的作用是提供反应所需的氧，来源可以是纯氧或空气，加压装置可以用电动机驱动的送风机或者空气压缩机，也可以用回收排出余气的汽轮机或压缩机。

2）燃料供给系统。低压燃料供给系统主要由电磁阀、减压阀、增湿装置及脉冲放气电磁阀等组成。燃料供给系统的作用是将燃料稳定匀速地供给燃料电池，若输入的燃料不能直接被燃料电池反应催化，还需要辅助的燃料重整系统，其作用是将外部供给的燃料转化为以氢为主要成分的燃料。若使用天然气等气体、碳氢化合物或者石油、甲醇等液体燃料，需要通过水蒸气重整等方法对燃料进行重整。而用煤炭作为燃料时，则要先转化为以氢和一氧化碳为主要成分的气体燃料。用于实现这些转化的反应装置分别称为重整器、煤气化炉等。

3）水管理系统。水管理系统即阳极增湿水循环系统，由增湿水泵、水-气膜增湿器、增湿水箱等组成，可以将阴极生成的水及时带走，以免造成燃料电池“水淹”而功能失效。对于PEM燃料电池，质子以水合离子（H3O+）状态在质子交换膜中进行传导，因此需要有水参与，而且膜中含水量还会影响电解质膜的质子传导性能，进而影响电池的性能。

4）热管理系统。热管理系统即冷却循环系统，主要由冷却水泵、换热器、节温器、散热器、加热器以及被冷却的电堆等组成，作用是将电池产生的热量带走，避免因温度过高而烧坏电解质膜。外电路接通形成电流时，燃料电池会因内电阻的功率损耗而发热，为了维持燃料电池恒温的最佳工作状态，常用传热介质水或空气对燃料电池进行热平衡控制。

5）电气与安全系统。电气与安全包括低压控制电气、高压电气、氢安全和电气安全等，整个系统由安全互锁电路、风机、水泵、加热器等用电设备的供电电路，以及氢气探测器、数据处理器和灭火设备等装置组成，作用是将燃料电池本体产生的直流电转换为用电设备或电网要求的交流电，同时实现防火、防爆等安全保障。

6）控制系统。控制系统主要由计算机及各种测量和控制执行机构组成，作用是控制燃料电池发电装置的启动和停止、接通或断开负载等动作，还具有实时监测和调节工况、远距离传输数据等功能。控制系统一般采用接线简单、调试方便、升级灵活和电磁兼容性好的分布式控制，分布式控制系统一般采用3层CAN网络的分布式控制[4]。

目前，燃料电池系统的主要研究热点包括：使用轻质材料，优化设计，提高燃料电池系统的比功率；提高PEM燃料电池系统快速冷启动能力和动态响应性能；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器；对电池或超级电容、氢气存储进行系统优化设计，提高系统的效率和调峰能力，回收制动能量等[5]。

截至2021年，国内燃料电池系统的技术水平已远超燃料电池技术发展路线中规划的水平。根据氢蓝时代动力科技有限公司常务副总裁曹桂军在2021年氢能与燃料电池产业年会上发表的“燃料电池系统开发与多场景应用”主题演讲，他认为电堆的国产化率和技术指标已快速提升。其中，单堆功率从45～60kW提升至150～200kW；电堆功率密度从2.5kW/L提升至4～4.5kW/L；关键零部件国产化率从50%提升至90%～98%；系统集成度从300W/kg提升至450W/kg；环境适应性普遍提高，一般可以在-30℃实现冷启动；基础材料不断突破，产业化加速，系统成本下降趋势明显，电堆价格可低于2000元/kW，系统成本可低于5000元/kW。同时，他预计2025年燃料电池系统最大额定功率将大于180kW，氢能在交通领域的应用将逐步向长续驶里程、大载重的场景过渡。

囤金军等人[6]展望了中国燃料电池的发展趋势，见表1-2，预计到2050年，我国的燃料电池系统的体积功率密度将突破6.5kW/L，其中在乘用车中的使用寿命将大于10000h，在商用车辆中的使用寿命将大于30000h，而固定电源寿命将大于100000h，低温启动温度将降至-40℃，系统的成本最低可以达到300元/kW。

表1-2 中国燃料电池发展历史和趋势[6]