燃料電池是一種電化學(xué)裝置，可將氣態(tài)燃料(通常是氫)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。這一過程發(fā)生在反應(yīng)室或 “電池 ”中(圖 1)。當(dāng)氫作為燃料時，過程類似于反向電解。在電解過程中，電能將水分成氫氣和氧氣，在陰極產(chǎn)生氫氣，在陽極產(chǎn)生氧氣，氫氧比例為 2:1(H?O)。相反，在氫燃料電池中，氫與氧氣(來自空氣或純氧)結(jié)合產(chǎn)生電流，唯一的副產(chǎn)品是水和熱量。

圖 1：電解池與燃料電池示意圖

雖然燃料電池技術(shù)通常被視為現(xiàn)代技術(shù)，但它的歷史可以追溯到 19 世紀(jì)初科學(xué)家漢弗萊-戴維爵士和威廉-格羅夫爵士制造的第一批原型機。20 世紀(jì) 60 年代，人們開發(fā)出實用的氫燃料電池技術(shù)，為焊接設(shè)備、農(nóng)用拖拉機甚至太空任務(wù)提供動力。進(jìn)一步發(fā)展的一個重要障礙是設(shè)計出耐用的界面技術(shù)，以分離電池中的氣體和液體電解質(zhì)。這種界面需要具有氣體滲透性、導(dǎo)電性和耐電解質(zhì)腐蝕和發(fā)熱性。如今，使用質(zhì)子交換膜(PEM)的結(jié)構(gòu)已在很大程度上解決了這些問題，使疊層燃料電池成為交通運輸和住宅能源等多個領(lǐng)域清潔、高效電力的可行選擇。

燃料電池作為化石燃料的替代品，有助于減少溫室氣體排放，在交通運輸領(lǐng)域的吸引力與日俱增。目前，寶馬、豐田、本田和現(xiàn)代等許多主要汽車制造商都在生產(chǎn)以氫為動力的燃料電池電動汽車(FCEV)。與電池電動汽車(BEV)相比，燃料電池電動汽車具有一定的優(yōu)勢，特別是在長途旅行中，因為燃料電池電動汽車可以快速補充燃料，而且續(xù)航能力更強。

高壓加氫站的操作與傳統(tǒng)燃油泵類似，而電動汽車通常需要長時間充電或使用更大、更重的電池。這使得燃料電池成為長途卡車、公共汽車和其他重型運輸應(yīng)用的理想選擇，在這些應(yīng)用中，快速加氫、重量更輕和續(xù)航里程更長是關(guān)鍵因素。因此，F(xiàn)CEV 越來越多地側(cè)重于卡車和鐵路應(yīng)用，而清潔燃料電池驅(qū)動的公共汽車和有軌電車已經(jīng)出現(xiàn)在許多城市地區(qū)。此外，小規(guī)模的燃料電池裝置可以很容易地改裝到冷藏集裝箱和拖車上，從而無需持續(xù)運行的柴油發(fā)動機來保持易腐貨物的低溫。

氫燃料電池還被應(yīng)用于固定電力系統(tǒng)，為建筑物、工業(yè)場所甚至整個社區(qū)提供電力。燃料電池本身具有可擴展性：增加電池數(shù)量可提高電壓，擴大電池表面積可增加電流，多個電池組并聯(lián)可提高功率。不過，由于單個電池產(chǎn)生的電壓相對較低(0.5-0.8V)，燃料電池通常堆疊在一起，以提供 200V-300V 的有用輸出電壓和大電流(數(shù)百安培)，從而簡化結(jié)構(gòu)(圖 2)。

圖 2：燃料電池堆結(jié)構(gòu)便攜式電源應(yīng)用是燃料電池的另一個前景廣闊的用途，尤其是在軍事、醫(yī)療和消費電子領(lǐng)域。與傳統(tǒng)電池相比，燃料電池的工作時間更長，這在偏遠(yuǎn)、離網(wǎng)或緊急情況下是一個優(yōu)勢。例如，美國軍方正在探索用小型燃料電池為野戰(zhàn)設(shè)備供電，以減少士兵對沉重電池組的依賴。

盡管燃料電池能源最近取得了一些進(jìn)展，但它仍然面臨著固有的技術(shù)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)阻礙了燃料電池的廣泛應(yīng)用。要使氫燃料電池在我們的能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，解決這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

反應(yīng)時間問題

由于燃料電池是通過涉及兩種氣體的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生能量的，因此當(dāng)燃料滲入堆棧時，氣體供應(yīng)和能量輸出之間會有延遲(圖 3)。對于固定的固定應(yīng)用，這種延遲是可以控制的。但是，對于氫燃料電池汽車來說，即使是短暫的反應(yīng)延遲也是不可接受的，因此燃料電池動力汽車也使用高壓(HV)電池提供即時動力和加速。不過，這些高壓電池的體積可以相對較小，因為燃料電池堆會不斷為它們充電。

圖 3：燃料電池堆反應(yīng)時間另一個挑戰(zhàn)是緊急停車。與可以快速關(guān)閉的燃料燃燒發(fā)動機不同，燃料電池需要沖洗以清除反應(yīng)氣體，從而停止發(fā)電。這使得關(guān)閉過程相對緩慢。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器在燃料電池系統(tǒng)中的作用

直流/直流轉(zhuǎn)換器可解決反應(yīng)延遲和關(guān)機問題，同時管理燃料電池和電池組之間的接口。它們

充當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器，將燃料電池的低電壓、高電流輸出轉(zhuǎn)換為高電壓、低電流的電池充電輸出。

穩(wěn)定啟動和關(guān)閉斜坡，緩解任何負(fù)載瞬變，提供電池組所需的穩(wěn)定充電電壓。

跟蹤燃料電池的最大功率點 (MPP)，根據(jù)負(fù)載、時間和溫度進(jìn)行調(diào)整，以保持最佳效率。

在緊急情況下突然斷開燃料電池堆。

監(jiān)控電池電壓和電流，防止過度充電或深度放電，并安全處理任何電池故障。

與車輛的 CAN 總線通信系統(tǒng)集成，實現(xiàn)集中監(jiān)控。

RECOM 的模塊化 15kW DC/DC 解決方案可通過并聯(lián)五個模塊提供高達(dá) 75kW 的功率，適用于卡車、船舶、鐵路車輛和大功率離網(wǎng)電動汽車充電站等重型應(yīng)用。該轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱輸入電壓為 150VDC，但工作電壓范圍為 46 至 275VDC，峰值效率約為 94%。輸出電壓可設(shè)置為 200V 至 800V，以匹配牽引電池，最大輸入電流為 500A，最大輸出電流為 85A 至220A。板載微控制器可對輸入和輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控范圍為設(shè)定電壓的 ±2% 和設(shè)定電流的 ±5%。該解決方案還符合沖擊和振動 ECER100 標(biāo)準(zhǔn)，同時集成了 ECER10 EMC 濾波器，可直接安裝在汽車應(yīng)用中。

圖 4：RECOM 的模塊化 5x15kW (75kW) 燃料電池 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

液冷系統(tǒng)設(shè)計緊湊，工作溫度范圍寬，75 千瓦設(shè)備的尺寸僅為 750 x 400 x 200 毫米。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可在 -40°C 至 +50°C 的環(huán)境溫度下以全功率運行，內(nèi)置短路、輸出過流和輸出過壓保護(hù)功能，并可在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時自動關(guān)機。

每 15 kW模塊均采用兩級四相交錯升壓轉(zhuǎn)換器，可在各種輸入和輸出電壓范圍內(nèi)高效運行。數(shù)字控制可確保準(zhǔn)確監(jiān)控所有電流和電壓，在所有負(fù)載條件下保持峰值性能，并確保對任何故障做出快速反應(yīng)。

該結(jié)構(gòu)具有模塊化和多功能性的特點，可針對不同的輸出電壓或功率要求(從 15 千瓦到 75 千瓦)進(jìn)行優(yōu)化。各單元之間的并行連接也允許擴展，使配置最高可達(dá) 225 千瓦，是大功率

離網(wǎng)電動汽車充電器的理想選擇。

J1939CAN 總線接口連接器提供有線緊急停機和警報信號以及數(shù)字接口。

圖 5：模塊化 75 千瓦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

結(jié) 論

燃料電池為實現(xiàn)更清潔、更可持續(xù)的能源格局提供了一條多功能且前景廣闊的途徑，是實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化所需的去碳化目標(biāo)的關(guān)鍵一步。與可編程千瓦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器搭配使用時，燃料電池可為難以電氣化的行業(yè)提供切實可行的解決方案，而氫燃料電池汽車則有助于減少我們對 BEV 的過度依賴和對電網(wǎng)的過度壓力。