现代车辆新能源：质子交换膜燃料电池系统组成

单独的燃料电池电堆是不能发电并用于有轨电车的，它必须和氢气供给与循环系统、氧气（空气）供给系统、热管理系统及一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。燃料电池系统主要由燃料电池电堆和辅机系统组成，辅机系统包括：

氢气供给与循环系统。

氧气（空气）供给系统。

供给管道系统和调节系统（包括空压机、冷却水泵和管路等）。

水/热管理系统。

燃料电池实际上是一个大的发电系统。对于质子交换膜燃料电池，需要有燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统及控制系统等。下面以质子交换膜燃料电池系统为例进行讲解。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质，因此也称聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。

（1）系统组成

质子交换膜燃料电池是在电动汽车和有轨电车上最有应用前景的电力能源之一。组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体燃料电池。如前所述，单体燃料电池的电化学电动势约为1V，其电流密度为数百毫安/cm²。因此，一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体燃料电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外，还要为系统配置氢燃料储存单元，空气（氧化剂）供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，将多个单体燃料电池组成为一个连续、稳定的供电电源。

1）燃料电池组（堆）。质子交换膜燃料电池的单体电池，其化学电动势为1.0～1.2V，带负载时的输出端电压为0.6～0.8V。为满足负载的额定工作电压，必须将单体燃料电池串联起来构成具有较高电压的电池组。受到材料（如质子交换膜等）及工艺水平的限制，目前单体燃料电池的输出电流密度约为（300～600mA）/cm²。因此，为提高燃料电池的输出电流能力，只能将若干串联的电池组并联，组成具有较大输出能力的燃料电池堆。燃料电池堆是由大量的单体燃料电池串并联而成的，因此存在向每个单体电池供给燃料与氧化剂的均匀性和电堆热管理问题。

2）燃料及氧化剂的储存与供给单元。为使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电，必须配置燃料（H₂）及氧化剂（O₂或空气）的储存与供给单元，以便不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的氢和氧。燃料供给部分由储氢系统及减压阀组成。氧化剂供给部分由储氧系统、减压阀或空气泵组成。

3）燃料电池湿度与温度调节单元。质子交换膜燃料电池运行过程中，随负载功率的变化，电池组内部的工况也要相应改变，以保持燃料电池内部电化学反应的正常进行。对质子交换膜燃料电池运行影响最大的两个因素是电池内部的湿度与温度。因此，在燃料电池系统中需要配置湿度与温度调节单元，以使质子交换膜燃料电池在负荷变化时仍工作在最佳工况下。(www.xing528.com)

4）功率变换单元。质子交换膜燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压因受内阻的影响还随负荷的变化而改变。基于上述原因，为满足大多数负载对交流供电和电压稳定性的要求，在燃料电池系统的输出端需要配置功率变换单元。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC逆变器。当负载要求直流供电时，需要用DC/DC变换器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压。

5）系统控制单元。由上述4个功能单元的配置和工作要求可知，质子交换膜燃料电池系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学及自动控制等多学科的复杂系统。质子交换膜燃料电池系统在运转过程中，需要调节与控制的物理量和参数非常多，难以手动完成。为使质子交换膜燃料电池系统长时间安全、稳定发电，必须配置系统控制单元，以实现燃料电池组与各功能单元的协调工作。

由于燃料电池发电过程中需要不断输入燃料和氧化剂，排出反应产物，一套燃料电池要正常工作，必须配备燃料储存装置、燃料/氧化剂输送装置，同时需要控制进入燃料电池电堆的反应物和氧化剂的量及产物，还要将其内部产生的热量导出并散发掉。此外，由于输出电压较低，且伏安特性软，功率变化范围大，需要一套能量变换系统来为负载稳定供电。综上，燃料电池发电系统与内燃机发电系统非常相似，需要包括燃料储存与调节系统、氧化剂输送与调节系统、燃料电池电堆、散热系统、电力变换系统、控制系统等。例如一套质子交换膜燃料电池系统，就需要包括氢气供应系统、空气供应系统、散热循环系统、电堆、控制系统等，其系统结构如图9-2-3所示。

图9-2-3 典型的燃料电池发电机系统

（2）国内关于质子交换膜燃料电池系统研发的一些问题

我国将研发燃料电池客车和燃料电池汽车列为“十五”和“十一五”计划“863”重大科技项目，并已取得一系列重大科技成果。但是在多年科研实践中，也暴露出一些技术/经济问题：

1）燃料电池系统的耐久性寿命短，一般仅4000～5000h，使用周期较短。

2）燃料电池系统的制造成本居高不下，一般为2万～3万元/kW（国外成本约2000～3000美元/kW），与传统内燃机仅200～350元/kW相比，差距巨大。由于质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢气循环泵、增压空气泵等关键部件均依靠进口，与国外相比并没有成本优势。

3）燃料电池系统对工作环境的适应性很差，国产系统仅可在0～40℃气温下工作，低于0℃有结冰问题，高于40℃则会因过热而不能正常工作。此外，系统对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，铂催化剂极易污染中毒失效。

4）燃料电池有轨电车的使用成本过于高昂。例如高纯度（99.999%）高压氢（＞200bar，即20MPa）售价约80～100元/kg。按1kg氢可发10kW·h电能计算，仅燃料费即约为10元/kW·h，按燃料电池系统工作寿命1000h计算，折旧费为30元/kW·h，则总的动力成本达40元/kW·h，高于各种动力电池。