1.2.2 燃料电池发电系统

上文提及单体燃料电池的基本原理，但在汽车上，燃料电池堆需要几百伏的电压，上百千瓦的功率，因此，往往是几百片单体燃料电池串联而成，并由此带来了电堆的空气流道、氢气流道、散热、密封、排水等复杂的结构设计，需要将燃料电池单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆，然后配置相应的支持系统，构成燃料电池发电系统。燃料电池堆是燃料电池发电系统的核心，而支持系统是维持电堆持续稳定工作的必要条件，燃料电池发电系统的支持系统包括：氢气供应系统、空气供应系统、水热系统以及控制系统。典型的燃料电池发电系统原理如图1-16所示。

1 氢气供应系统

氢气供应系统包括压力调节阀、循环装置（循环泵或喷射装置）、加湿器、散热器以及排水阀等，用来为燃料电池发动机提供合适的阳极工作环境。

图1-16 燃料电池发电系统原理

高压氢气存储在氢瓶中，经过减压阀将氢气压力降到适合的范围，减压阀后配置了止回阀，用来防止外部气体回流，调节阀通过控制氢气的供应流量，以达到调节阳极工作压力的目的。加湿器用来调节进入电堆的氢气湿度，水分离器则用来分离循环氢气中的液态水分，避免进入电堆的氢气中拖带过多的液态水分。水分离器的底部安装了一个排水阀，用来排放分离器中的水分以及循环氢气中可能存在的杂质（由阴极渗透过来的氮气以及供应气体中本身存在的惰性气体等）。循环装置用来促进电堆内部的氢气流动，一方面可以将电堆内部的水分排出，另一方面保证足够的氢气流量，用来提高氢气的使用效率。氢气散热器用来降低电堆出口的氢气温度，避免循环氢气温度过高。

2 空气供应系统

空气供应系统主要包括风机/压缩机、加湿器、背压阀和散热器等，用来保证电堆阴极的正常工作需求。

风机或压缩机用来向电堆供应空气（氧气），通过调节电机转速可以调节空气供应流量。背压阀安装在阴极排气管路末端，用来调节电堆阴极的工作压力。按照空气侧压力的高低，可分为低压（30kPa）、中压（60～100kPa）和高压（150～300kPa）燃料电池。压力越高，则阴极侧的氧浓度越高，越有利于电堆提高功率密度，但空气压缩机的功率也越大，造成燃料电池辅助系统的功耗增加。低压燃料电池一般用于通信电源、备用电源、无人机等领域，中压燃料电池一般应用于小型物流车等交通领域，乘用车、中大型商用车一般配置的燃料电池是高压的。对于氢燃料电池来说，由于质子交换膜需要保持良好的工作特性，这就要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气必须绝对干净，因此，对空气压缩机技术要求十分高。

由于不同的燃料电池系统所需性能要求不尽相同，在选型上需要考虑喘振线距离、超负荷工况余量、环境温度、供电电压、预充、通信、噪声、冷却等因素的影响。目前常用的空气压缩机的类型有离心式、罗茨式、螺杆式3种，离心式由于具有高效率、小型化、低噪声等优势，目前是应用的主流方向。

低压燃料电池发动机系统中由于加湿量大，通常采用焓轮加湿器对供应的空气进行加湿，利用从阴极尾气中带出的反应生成水来调节供应空气的湿度，高压系统中则通常采用喷水或湿膜的方式进行加湿。由于在压缩过程中空气的温度升高，因此需要使用散热器来调节空气供应的温度，避免温度过高。空气的流动一方面保证燃料电池发动机正常工作所需要的氧气，另一方面可以将电堆反应过程中生成的部分热量和水分带出电堆。

3 水热系统

水热系统包括水泵、散热设备、旁路阀和冷却水箱等，用来控制电堆的工作温度以及为气体增湿提供水分。水泵用来为冷却水通过电堆进行循环提供动力，利用冷却水将电堆工作过程中产生的热量带出，达到调节电堆工作温度的目的。散热器是冷却水温度控制的工具，利用散热器实现冷却水和环境空气的热交换，最终将电堆产生的热量转移到环境中。旁路阀是用来在发动机冷启动过程中形成散热器的旁路，以使冷却水不流经散热器形成大循环，仅围绕电堆形成一个水路的小循环，达到快速提高系统温度的作用，这是在燃料电池冷启动过程中常见的操作方式。

高压燃料电池发动机系统中的循环水不仅要满足保证系统工作温度的需求，同时必须满足气体和冷却水流场之间压力差的限制，通常还需要配置阀门，用来改善冷却水压力和流量之间的耦合关系。

某些系统中采用了冷却循环水和增湿用水分离的方式，系统中还存在独立的增湿循环水泵、冷却水箱以及散热或加热装置。这些装置主要用来保证气体的湿度，可以认为是增湿器的组成部分。

4 控制系统

控制系统包括控制器、传感器和驱动器，控制器是由一套或一系列微控制器为核心构成的电子装置，传感器主要是压力、温度、电压和电流传感器等，驱动器主要是用于风机、水泵以及阀门等设备的驱动或功率放大器。

控制系统的作用是根据整车的功率需求控制发动机工作在优化的状态，包括对空气和燃料的流量和压力进行控制，管理水热系统以维持系统工作在最优的温度、湿度，以及控制膜两侧气体的分压力等，从而保证系统的高效率，尽量避免本质失效情况的出现，延长系统的寿命，即保证系统的可靠性、安全性、快速性和高效率。

综上所述，在许多场合中，人们将燃料电池发电系统称为燃料电池发动机，但这种说法也并非完全准确，这是因为虽然燃料电池发电系统在进气、散热等方面和内燃发动机有类似之处，但燃料电池的燃料供应、低温启动、水热管理方面和内燃发动机并不相同。更为重要的是，燃料电池的输出是电能，不像内燃机输出的是转矩。更进一步考查燃料电池功率和车辆功率之间的关系，可以看到几乎所有燃料电池汽车动力系统中都采用了“电电混合”的电源结构，导致燃料电池的输出功率与车辆的功率并不相同，而只是电机的功率和车辆的功率相同。