燃料电池系统简介：从何谈起？

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在特定条件和特定运行模式下，燃料电池可以形成水自足系统。图7-1 燃料电池系统为了能够体现这些附属装置对燃料电池性能的显著影响，我们以当前最为普遍的质子交换膜燃料电池为例，说明此类燃料电池系统中不同的附属装置的典型能量消耗情况，如图7-2所示。图7-2强调了燃料电池系统中不同的附属装置对系统动态性能及效率的重要性和影响。本章的最后还将分析燃料电池系统的寿命和失效机理。

对于目前具有市场前景的五种主要燃料电池（见第6章），都需要针对特定的市场应用需求，集成为燃料电池系统，这也是这些燃料电池的特色。由此，对于启动速度较快，热、电循环特性好，运行温区低的燃料电池（碱性燃料电池AFC，聚合物电解质燃料电池PEFC）既可以固定式应用，也可以作为交通领域中的移动式应用。相反，那些运行在较高温区的燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池MCFC，磷酸燃料电池PAFC，固体氧化物燃料电池SOFC），不足以应对快速的温度上升，因而需要较长的启动时间，同时对热循环的过程也比较敏感。因此，这种类型的电池只能用于固定式场合。不过，我们仍要提到固体氧化物燃料电池SOFC的特殊性及其应用预期，尽管这类高温燃料电池（典型运行温度为800℃）存在热管理困难，但其电解质是固态的，而且可以使用一氧化碳为燃料，这使其成为交通应用的一个有利选择方案。

燃料电池本身具有极佳的电流动态响应能力。可是，那些燃料电池运行所必需的辅助功能单元（氢气供给回路、空气压缩机、加湿系统、冷却回路等）却未必具备同样的能力。由于这些辅助系统具有不同的响应时间（从几毫秒到几分钟），使得燃料电池系统的性能大幅降低。至此，我们已经给出了燃料电池系统的概念，它集成并包括燃料电池本体，还有使其正常工作所需的各种子系统（附属装置），图7-1给出了这种系统的各个组成部分。我们仍需再次强调，所谓的燃料电池系统，一般是指图7-1所示的这样一个系统。这个定义与FCTESTNET（燃料电池测试和标准化网络）项目的定义相同，但与IEC（国际电工委员会）或SAE（汽车工程师学会）所给出的定义有些不同，如有需要，我们可以通过对比找出不同点。无论如何，在具有竞争力、高性能、功能细分的燃料电池系统进入市场之前，还有很长的路要走。

由图7-1可知，对于燃料电池系统来说，首当其冲的是燃料（尤其当氢气作为电池燃料时，尽管氢的化合物在地球上最为普遍，但自然状态下，几乎不存在氢气）的制造与储存。然后按照压力、温度、流量和湿度来调节燃料，再充入燃料电池的阳极气室。燃烧剂在进入阴极气室之前，也必须经过同样的调节过程。而且，为了加湿进入燃料电池的反应气体，我们可以在两个气体回路中任何一支，回收电池内部由电化学反应生成的、并由尾气携带而出的水。在特定条件和特定运行模式下，燃料电池可以形成水自足系统。

此外，由于燃料电池的电化学反应过程是放热的，当电池的功率较大时（比如高于1kW），就必须配备采用液态冷却剂的专用冷却回路。对冷却回路控制的目的，是将电池内部温度大体保持在厂家标称的额定温度范围内。当然，冷却回路控制器和进气加湿控制器必须关联在一起，因为这两个变量是密切相关的。

最后，往往不一定需要固态变换器将燃料电池的能量转变为电能。当然，也可以根据具体应用需求，将燃料电池和其他电源（比如超级电容器或锂离子电池）联合起来使用。

当然，控制，尤其是燃料电池的各种子系统及相互之间的能量流管理，需要一个专门的监控装置。

图7-1 燃料电池系统

为了能够体现这些附属装置对燃料电池性能的显著影响，我们以当前最为普遍的质子交换膜燃料电池（尤其是当我们对交通应用感兴趣时）为例，说明此类燃料电池系统中不同的附属装置的典型能量消耗情况，如图7-2所示。

首先，我们注意到，从燃料电池端口输出的净电能仅占系统总电能的。其次，在各种不同的附属装置中，氧化剂的调节系统（这类应用系统一般采用空气压缩机）功耗最大。紧接的是加湿系统、固态变换器和冷却系统。注意，此处我们假设在系统的进口处，氢气直接以压缩气体的形式存在。(https://www.chuimin.cn)