燃料電池係統

我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為(wei) 燃料電池汽車商業(ye) 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。

此前的係列科普中，已經介紹了氫氣的製取、儲(chu) 運問題。在本文中，將會(hui) 為(wei) 大家介紹燃料電池係統的問題，包括其組成、發展狀況以及目前主流的燃料電池係統的簡介。

思考的問題：

燃料電池係統是由哪些部分組成的?關(guan) 鍵部件與(yu) 技術是什麽(me) ?

目前國內(nei) 主流的燃料電池係統供應商情況如何?

重要結論

燃料電池係統的關(guan) 鍵部件包括電堆、氫氣循環係統、加濕器以及空氣壓縮機，關(guan) 鍵技術包括水熱管理技術、低溫冷起動、係統的控製技術等。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(ge) 階段，燃料電池的技術主要是集中在降低成本產(chan) 業(ye) 化的階段。國內(nei) 企業(ye) 主要依賴國外公司的現有技術並進行深入研究，主要公司有大連新源動力和大洋電機兩(liang) 家公司。

1、 燃料電池係統簡介

燃料電池係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(yu) 動力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應生電。燃料電池係統是主要由電堆、燃料處理器、功率調節器、空氣壓縮機組成。每一個(ge) 係統組成部件都有其特有的關(guan) 鍵技術，其中電堆技術最為(wei) 關(guan) 鍵。

燃料電池堆。為(wei) 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(ti) 按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，並配置相應的輔助設備(BOP，Balance Of Plant)，同時在燃料電池控製單元的控製下，實現燃料電池的正常運行，共同構成了燃料電池係統。用作車輛動力源的燃料電池係統，稱為(wei) 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係統主要包括空氣壓縮機、燃料電池用加濕器、氫氣循環泵、壓力調節器和係統控製單元。以氫為(wei) 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係統的主要元件，包括電極、質子交換膜(PEM)、雙極板、氣體(ti) 擴散層(GDL)、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為(wei) 膜電極(MEA)，它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳(chuan) 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(chuan) 導的介質，PEM的性能直接影響整個(ge) 電堆的性能。雙極板用於(yu) 支撐膜電極，並收集單電池電流。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。

燃料電池係統控製技術。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關(guan) 鍵所在，而耐久性，很大一部分在於(yu) 控製係統的問題。經過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關(guan) 鍵因素有：動態工況、起動、連續怠速等，這些因素都是通過由係統控製所最終決(jue) 定的。因此，燃料電池係統控製技術成為(wei) 燃料電池最為(wei) 關(guan) 鍵的技術之一。

圖中燃料電池控製單元包括空壓機控製模塊、燃料電池係統控製模塊以及電池電壓監控模塊。其中空壓機控製箱接收燃料電池控製模塊發送的控製信號，同時把反饋信號(如空壓機的轉速等)發給燃料電池係統控製模塊。燃料電池係統控製模塊主要根據接受的各種信號，來確定合適的控製參數，並通過CAN總線與(yu) 車輛管理係統通訊。電池電壓監控模塊用於(yu) 監控單池電壓，當電壓過低時向燃料電池控製模塊發送警告信號。通過輔助係統和控製係統的綜合作用實現燃料電池係統高效運行，實現能量的最有利用。

2、 國內(nei) 燃料電池堆：金屬極板與(yu) 單堆高功率

與(yu) 電機電控相同的地方是，目前國際上主流的燃料電池係統也是分為(wei) 整車廠自主研發及配套采購兩(liang) 種模式。乘用車方麵，已經量產(chan) 的燃料電池汽車豐(feng) 田Mirai和本田Clarity都搭載自主研製的燃料電池係統，其他主流車企也在加快研發進程;商用車方麵，主要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料電池係統龍頭，同時也為(wei) 國內(nei) 的燃料電池公共汽車提供動力係統。

大連新源動力(南都電源參股)：

新源動力作為(wei) 國內(nei) 燃料電池技術研究程度最深的公司之一，在燃料電池係統的小型化、集成化等方麵深入耕耘，與(yu) 多家國內(nei) 主流車企形成了穩定的供應關(guan) 係。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後，國內(nei) 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(wei) 燃料電池係統的核心競爭(zheng) 力來源於(yu) 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係統產(chan) 品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個(ge) 領域，功率從(cong) 5KW-120KW，產(chan) 品類型齊全。

大洋電機：

大洋電機的燃料電池技術來源於(yu) 加拿大巴拉德動力係統公司，巴拉德動力係統公司成立於(yu) 1979年，從(cong) 1983年開始研發燃料電池，其核心技術在於(yu) 質子交換膜。1997年公司與(yu) 戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業(ye) ，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(chan) 品，並廣泛應用於(yu) 智慧能源解決(jue) 方案。目前公司的主要產(chan) 品有：1)質子交換膜燃料電池堆的原始設備和係統集成;2)動力模塊，為(wei) 叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決(jue) 方案;3)固定係統，提供一個(ge) 全麵的氫燃料組合電力係統，來支持一係列應用程序。

巴拉德在燃料電池領域具有明顯的競爭(zheng) 優(you) 勢，過去的30年中巴拉德的技術工程投資超過10億(yi) 美元，生產(chan) 了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬(wan) 個(ge) 膜電極組件和3000個(ge) 固定式燃料電池係統。現在，搭載巴拉德燃料電池係統的公交車行駛裏程超過百萬(wan) 千米，並且為(wei) 包括豐(feng) 田、大眾(zhong) 、奧迪等在內(nei) 的全球前八大車企提供了超過500個(ge) 燃料電池產(chan) 品和超過1000小時的谘詢服務。

簽訂燃料電池模塊組裝框架協議，加快公司燃料電池產(chan) 業(ye) 化進程。大洋電機利用巴拉德成熟的燃料電池係統技術及自身在電機及混合動力係統的技術優(you) 勢，與(yu) 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(chan) 線，巴拉德提供技術支持，該業(ye) 務短期內(nei) 麵向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東(dong) 風特汽等。

3、 總結

本篇科普，我們(men) 詳細介紹了燃料電池堆的結構，及國內(nei) 外燃料電池堆的發展現狀。但是，由於(yu) 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係統形成混合動力係統。