1.2.2 燃料電池發電系統

上文提及單體燃料電池的基本原理，但在汽車上，燃料電池堆需要幾百伏的電壓，上百千瓦的功率，因此，往往是幾百片單體燃料電池串聯而成，并由此帶來了電堆的空氣流道、氫氣流道、散熱、密封、排水等復雜的結構設計，需要將燃料電池單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，然后配置相應的支持系統，構成燃料電池發電系統。燃料電池堆是燃料電池發電系統的核心，而支持系統是維持電堆持續穩定工作的必要條件，燃料電池發電系統的支持系統包括：氫氣供應系統、空氣供應系統、水熱系統以及控制系統。典型的燃料電池發電系統原理如圖1-16所示。

1 氫氣供應系統

氫氣供應系統包括壓力調節閥、循環裝置（循環泵或噴射裝置）、加濕器、散熱器以及排水閥等，用來為燃料電池發動機提供合適的陽極工作環境。

高壓氫氣存儲在氫瓶中，經過減壓閥將氫氣壓力降到適合的范圍，減壓閥后配置了止回閥，用來防止外部氣體回流，調節閥通過控制氫氣的供應流量，以達到調節陽極工作壓力的目的。加濕器用來調節進入電堆的氫氣濕度，水分離器則用來分離循環氫氣中的液態水分，避免進入電堆的氫氣中拖帶過多的液態水分。水分離器的底部安裝了一個排水閥，用來排放分離器中的水分以及循環氫氣中可能存在的雜質（由陰極滲透過來的氮氣以及供應氣體中本身存在的惰性氣體等）。循環裝置用來促進電堆內部的氫氣流動，一方面可以將電堆內部的水分排出，另一方面保證足夠的氫氣流量，用來提高氫氣的使用效率。氫氣散熱器用來降低電堆出口的氫氣溫度，避免循環氫氣溫度過高。

2 空氣供應系統

空氣供應系統主要包括風機/壓縮機、加濕器、背壓閥和散熱器等，用來保證電堆陰極的正常工作需求。

風機或壓縮機用來向電堆供應空氣（氧氣），通過調節電機轉速可以調節空氣供應流量。背壓閥安裝在陰極排氣管路末端，用來調節電堆陰極的工作壓力。按照空氣側壓力的高低，可分為低壓（30kPa）、中壓（60～100kPa）和高壓（150～300kPa）燃料電池。壓力越高，則陰極側的氧濃度越高，越有利于電堆提高功率密度，但空氣壓縮機的功率也越大，造成燃料電池輔助系統的功耗增加。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域，中壓燃料電池一般應用于小型物流車等交通領域，乘用車、中大型商用車一般配置的燃料電池是高壓的。對于氫燃料電池來說，由于質子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對干凈，因此，對空氣壓縮機技術要求十分高。

由于不同的燃料電池系統所需性能要求不盡相同，在選型上需要考慮喘振線距離、超負荷工況余量、環境溫度、供電電壓、預充、通信、噪聲、冷卻等因素的影響。目前常用的空氣壓縮機的類型有離心式、羅茨式、螺桿式3種，離心式由于具有高效率、小型化、低噪聲等優勢，目前是應用的主流方向。

低壓燃料電池發動機系統中由于加濕量大，通常采用焓輪加濕器對供應的空氣進行加濕，利用從陰極尾氣中帶出的反應生成水來調節供應空氣的濕度，高壓系統中則通常采用噴水或濕膜的方式進行加濕。由于在壓縮過程中空氣的溫度升高，因此需要使用散熱器來調節空氣供應的溫度，避免溫度過高。空氣的流動一方面保證燃料電池發動機正常工作所需要的氧氣，另一方面可以將電堆反應過程中生成的部分熱量和水分帶出電堆。

3 水熱系統

水熱系統包括水泵、散熱設備、旁路閥和冷卻水箱等，用來控制電堆的工作溫度以及為氣體增濕提供水分。水泵用來為冷卻水通過電堆進行循環提供動力，利用冷卻水將電堆工作過程中產生的熱量帶出，達到調節電堆工作溫度的目的。散熱器是冷卻水溫度控制的工具，利用散熱器實現冷卻水和環境空氣的熱交換，最終將電堆產生的熱量轉移到環境中。旁路閥是用來在發動機冷啟動過程中形成散熱器的旁路，以使冷卻水不流經散熱器形成大循環，僅圍繞電堆形成一個水路的小循環，達到快速提高系統溫度的作用，這是在燃料電池冷啟動過程中常見的操作方式。

高壓燃料電池發動機系統中的循環水不僅要滿足保證系統工作溫度的需求，同時必須滿足氣體和冷卻水流場之間壓力差的限制，通常還需要配置閥門，用來改善冷卻水壓力和流量之間的耦合關系。

某些系統中采用了冷卻循環水和增濕用水分離的方式，系統中還存在獨立的增濕循環水泵、冷卻水箱以及散熱或加熱裝置。這些裝置主要用來保證氣體的濕度，可以認為是增濕器的組成部分。

4 控制系統

控制系統包括控制器、傳感器和驅動器，控制器是由一套或一系列微控制器為核心構成的電子裝置，傳感器主要是壓力、溫度、電壓和電流傳感器等，驅動器主要是用于風機、水泵以及閥門等設備的驅動或功率放大器。

控制系統的作用是根據整車的功率需求控制發動機工作在優化的狀態，包括對空氣和燃料的流量和壓力進行控制，管理水熱系統以維持系統工作在最優的溫度、濕度，以及控制膜兩側氣體的分壓力等，從而保證系統的高效率，盡量避免本質失效情況的出現，延長系統的壽命，即保證系統的可靠性、安全性、快速性和高效率。

綜上所述，在許多場合中，人們將燃料電池發電系統稱為燃料電池發動機，但這種說法也并非完全準確，這是因為雖然燃料電池發電系統在進氣、散熱等方面和內燃發動機有類似之處，但燃料電池的燃料供應、低溫啟動、水熱管理方面和內燃發動機并不相同。更為重要的是，燃料電池的輸出是電能，不像內燃機輸出的是轉矩。更進一步考查燃料電池功率和車輛功率之間的關系，可以看到幾乎所有燃料電池汽車動力系統中都采用了“電電混合”的電源結構，導致燃料電池的輸出功率與車輛的功率并不相同，而只是電機的功率和車輛的功率相同。