燃料电池系统简介
燃料电池系统为以燃料电池电堆为核心，利用各子系统供应燃料及氧化剂进入电堆进行反应产生电能和纯水，并通过冷却液循环维持电堆温度的发电系统。搭载燃料电池系统为主要动力源的车辆，相对传统内燃机车或纯电动汽车，具有无污染、高效率、加氢时间短、续驶里程长等特点，提升车辆的使用感受及环境友好性。
图1 燃料电池工作示意图
典型的燃料电池系统类型
针对以氢气为阳极反应物的系统，燃料电池系统可分为氢-氧系统、氢-空系统和重整氢-空系统。其中，氢-氧系统因技术难度大、纯氧存储带来的体积和重量的增加，一般仅应用于无法获取空气的领域，如潜艇和太空中。
重整氢/空气系统
为避免氢气车载储存的复杂性，某些燃料电池系统可使用汽油、甲醇等碳氢燃料通过车载重整系统反应后生成氢气，供燃料电池电堆反应。但车载的重整系统较为复杂，一方面重整制氢的条件较为苛刻，且生成的氢气需进行净化处理，另一方面常用的甲醇燃料存在一定毒性，需有可靠方法防止溢出。目前应用该系统技术路线的车辆较少。
氢-空系统
氢-空系统为应用于车辆最常见的系统，包括丰田MIRAI、本田CLARITY、现代NEXO、上汽荣威FCV950等搭载的均为氢-空燃料电池系统。车载应用的燃料电池系统功率一般在30——100kW之间，一般采用反应介质加压的燃料电池系统；该类系统一般由空气子系统、氢气子系统、热管理子系统和控制系统组成。该类系统的典型架构如下图所示。
图2 典型的氢-空燃料电池系统架构
空气子系统一般包括空气滤清器、空气压缩机、空气中冷器、增湿器、空气路阀件等零部件。外界环境的空气通过滤清器的过滤，在压缩机和中冷器的协同工作下达到电堆工作需求的气体压力与温度，并在必要时经过增湿器增湿后进入电堆阴极侧参与反应。另外，空气路阀件主要用于空气路流量分配与压力调节。
氢气子系统一般包括氢气喷射器和排氢阀等零部件。由车载供氢系统供给的氢气通过喷射器调节后以一定压力和流量进入电堆阳极侧参与反应，并在必要时开启排氢阀，排出阳极侧积累的氮气和液态水。
热管理子系统一般包括冷却泵、节温器、散热器等零部件，在冷却液循环的条件下，将电堆反应生成的热量排出系统外，以维持燃料电池电堆合适的反应温度。
控制子系统一般包括燃料电池系统控制器、各传感器、各执行器组成。通过电流、电压、温度、压力等传感器的实时测量，系统控制器根据当前系统状态按一定的控制策略控制各执行器动作，以实现对整车功率请求的响应。
增湿方式
燃料电池电堆在反应过程中，质子交换膜需维持一定的湿度以保证较高的反应效率，因此要求反应介质需携带一定量的水蒸气进入电堆。目前常见的增湿方式分为外增湿和内增湿两种。
外增湿一般是指在空气子系统中包含增湿器，空气通过增湿器后实现以较高的湿度进入电堆参与反应。增湿器的工作原理是电堆反应生成的水进入增湿器一侧，在增湿器内通过一定的交换形式进入空气入口侧，以实现入口空气的增湿。
内增湿一般是指在氢气子系统中包含氢气循环泵，将电堆出口湿氢气与入口干氢气混合实现电堆入口氢气的增湿。系统在氢气循环内增湿情况下，可实现空气侧无外增湿运行，提高系统集成度、降低系统成本。
车载燃料电池系统应用实例
2014年，丰田发布世界上首款商业化燃料电池汽车Mirai，也是首款搭载自增湿系统的燃料电池汽车。
图4 丰田MIRAI燃料电池车示意图
丰田Mirai取消了空气侧增湿器，通过优化电堆结构和阳极操作方式，将阴极产生的水迁移到阳极并均匀分布在MEA上，实现系统自增湿。
通过优化电堆结构，包括减小质子交换膜的厚度、采用氢/空逆流形式增加了阴极侧生成的水向阳极的传递，并通过氢气循环增湿和电堆温度控制，实现电堆良好的水热管理。
图3 丰田MIRAI燃料电池系统架构图
本田Clarity搭载的燃料电池系统高度集成，布置于引擎盖下方。采用外部加湿，空气经双级空气压缩机增压、中冷降温后，通过增湿器进行加湿，实现空气供应。氢系统通过不同大小两个氢瓶实现氢气供应；冷却流道采用“one cooling per two cells”原则，稳定运行温度；电堆结构设计和MEA改良，使电堆轻质且紧凑；电堆和空气、氢气、冷却子系统在控制系统控制下实现高效协同工作。
图4 本田Clarity燃料电池车示意图
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