燃料電池系統

我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為燃料電池汽車商業化做好充分準備。加氫基礎設施是燃料電池發展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經介紹了氫氣的制取、儲運問題。在本文中，將會為大家介紹燃料電池系統的問題，包括其組成、發展狀況以及目前主流的燃料電池系統的簡介。

思考的問題：

燃料電池系統是由哪些部分組成的?關鍵部件與技術是什么?

目前國內主流的燃料電池系統供應商情況如何?

重要結論

燃料電池系統的關鍵部件包括電堆、氫氣循環系統、加濕器以及空氣壓縮機，關鍵技術包括水熱管理技術、低溫冷起動、系統的控制技術等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術已經成熟，下一個階段，燃料電池的技術主要是集中在降低成本產業化的階段。國內企業主要依賴國外公司的現有技術并進行深入研究，主要公司有大連新源動力和大洋電機兩家公司。

1、 燃料電池系統簡介

燃料電池系統是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應生電。燃料電池系統是主要由電堆、燃料處理器、功率調節器、空氣壓縮機組成。每一個系統組成部件都有其特有的關鍵技術，其中電堆技術最為關鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池(FC)單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，并配置相應的輔助設備(BOP，Balance Of Plant)，同時在燃料電池控制單元的控制下，實現燃料電池的正常運行，共同構成了燃料電池系統。用作車輛動力源的燃料電池系統，稱為燃料電池發動機。燃料電池堆是燃料電池發動機的核心，BOP維持電堆持續穩定安全地運行。燃料電池發動機輔助系統主要包括空氣壓縮機、燃料電池用加濕器、氫氣循環泵、壓力調節器和系統控制單元。以氫為燃料的燃料電池發動機的典型結構如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統的主要元件，包括電極、質子交換膜(PEM)、雙極板、氣體擴散層(GDL)、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極(MEA)，它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是電化學反應發生的地方。PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質子傳導的介質，PEM的性能直接影響整個電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯在一起，提供滿足車用動力需求的電功率。

燃料電池系統控制技術。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統的問題。經過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關鍵因素有：動態工況、起動、連續怠速等，這些因素都是通過由系統控制所最終決定的。因此，燃料電池系統控制技術成為燃料電池最為關鍵的技術之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機控制模塊、燃料電池系統控制模塊以及電池電壓監控模塊。其中空壓機控制箱接收燃料電池控制模塊發送的控制信號，同時把反饋信號(如空壓機的轉速等)發給燃料電池系統控制模塊。燃料電池系統控制模塊主要根據接受的各種信號，來確定合適的控制參數，并通過CAN總線與車輛管理系統通訊。電池電壓監控模塊用于監控單池電壓，當電壓過低時向燃料電池控制模塊發送警告信號。通過輔助系統和控制系統的綜合作用實現燃料電池系統高效運行，實現能量的最有利用。

2、 國內燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機電控相同的地方是，目前國際上主流的燃料電池系統也是分為整車廠自主研發及配套采購兩種模式。乘用車方面，已經量產的燃料電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料電池系統，其他主流車企也在加快研發進程;商用車方面，主要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料電池系統龍頭，同時也為國內的燃料電池公共汽車提供動力系統。

大連新源動力(南都電源參股)：

新源動力作為國內燃料電池技術研究程度最深的公司之一，在燃料電池系統的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國內主流車企形成了穩定的供應關系。待加氫基礎設施建設相對完善、規模化效應提升使成本逐漸降低后，國內燃料電池汽車極可能出現類似日本今年一季度的爆發行情。

公司認為燃料電池系統的核心競爭力來源于設計，不論是極板材料的選擇、流道的設計，還是層級結構的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料電池系統產品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個領域，功率從5KW-120KW，產品類型齊全。

大洋電機：

大洋電機的燃料電池技術來源于加拿大巴拉德動力系統公司，巴拉德動力系統公司成立于1979年，從1983年開始研發燃料電池，其核心技術在于質子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業，共同開發燃料電池汽車市場。2007年至2009年，開始轉型發展清潔能源燃料電池產品，并廣泛應用于智慧能源解決方案。目前公司的主要產品有：1)質子交換膜燃料電池堆的原始設備和系統集成;2)動力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決方案;3)固定系統，提供一個全面的氫燃料組合電力系統，來支持一系列應用程序。

巴拉德在燃料電池領域具有明顯的競爭優勢，過去的30年中巴拉德的技術工程投資超過10億美元，生產了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬個膜電極組件和3000個固定式燃料電池系統。現在，搭載巴拉德燃料電池系統的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內的全球前八大車企提供了超過500個燃料電池產品和超過1000小時的咨詢服務。

簽訂燃料電池模塊組裝框架協議，加快公司燃料電池產業化進程。大洋電機利用巴拉德成熟的燃料電池系統技術及自身在電機及混合動力系統的技術優勢，與車企進行了燃料電池汽車的緊密合作，尤其在燃料電池客車領域已經獲得了較大進展。目前，大洋電機正在建設燃料電池模組組裝生產線，巴拉德提供技術支持，該業務短期內面向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東風特汽等。

3、 總結

本篇科普，我們詳細介紹了燃料電池堆的結構，及國內外燃料電池堆的發展現狀。但是，由于燃料電池堆響應速度較慢，因此通常都需要搭配一套電驅動系統形成混合動力系統。