设计高效率的氢燃料电池系统
图源：Waewsiri/stock.adobe.com；使用AI生成
发布于2025-06-13
氢是宇宙中含量最丰富的元素，是一种几乎无限的能源。随着可持续发展理念推动诸多领域的能源技术创新，氢燃料电池作为一种没有直接排放的发电设备，正展现出广阔的应用前景。
这些电化学系统已应用于氢燃料电池电动汽车（FCEV），以及为数据中心和医院提供备用电源[1],[2],[3]。它们的未来应用包括实现海运和航空的脱碳化，以及集成到可再生能源系统中用于稳定电网[4],[5]。
对于电气设计工程师而言，氢能系统面临着与传统电源截然不同的挑战。本文将探讨氢的能量循环、制取方法及其对可持续发展的影响，深入解析质子交换膜燃料电池的工作原理，并重点介绍将电能输出转化为可用电力所需的专用功率电子技术。
现代制氢技术
如何才能捕获我们身边无处不在的氢，并将其转化为燃料？目前，我们有多种方法可以采用，既有成熟的传统技术，也有各种创新方案。以下是四种主要制氢方法：
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蒸汽甲烷重整（SMR）：将天然气与高温蒸汽和镍催化剂混合，生成氢气和二氧化碳。该工艺高效且成本低廉，但需要依赖化石燃料，并且会排放大量二氧化碳。
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电解：使用电流将水分解，生成氢气和氧气。当使用可再生能源供电时，该工艺可以在没有直接排放的情况下生成高纯度氢气，但现阶段其成本依然较高。
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光电化学水分解：采用特殊半导体吸收阳光并分解水。该方法目前仍处于研究和试验阶段。
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生物制氢：微生物通过生物过程产生氢气。该工艺可与废弃物处理相结合，但需要在受控环境中进行，并且尚不具备规模化条件。
这些制氢方法都具有广阔前景，但电解法对电气工程师而言尤为重要，因为它代表着通过电气专业知识直接助力绿色能源转型这一关键交叉领域。与此同时，要将氢能打造为清洁能源未来的核心支柱，整合电力系统与可再生能源、优化电解槽设计、开发先进的膜技术和电催化剂，这些都是至关重要的方面。
先进的制氢电解系统
电解技术已经存在了数百年，它的基本原理算不上复杂，但今天的电解系统已经融入了众多先进技术。
现代电解系统主要采用三种方法，每种都各有优缺点。
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碱性电解系统对于大规模项目而言是一种经济高效的方法，但其效率较低，并且对功率波动的响应较慢。
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质子交换膜（PEM）系统的效率更高，并且能快速响应功率波动，非常适合与可再生能源系统集成。但该方法需使用贵金属催化剂，因而成本较高。
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固体氧化物电解系统是效率最高、燃料灵活性最佳的方法，并具有生产合成燃料的潜力，但目前仍处于研发阶段。
目前，PEM系统最具发展潜力，相关研究正持续推动成本下降和效率提升。根据Hydrogen Council（氢能委员会）的数据，电解槽成本在2010年至2020年间降低了约60%，并将持续下降至2030年[6]。
在探讨了PEM技术如何通过电解水制氢后，我们现在可以分析相同的基本原理如何在PEM燃料电池中逆向作用以产生电能。
PEM燃料电池的工作原理
PEM燃料电池是电化学、材料科学和电气工程的集大成者。这些电化学装置可将氢气和氧气转化为电能、热能和水。PEM燃料电池由四个主要部件组成：阳极、阴极、质子交换膜和催化剂层[7]。
工程师常将其描述为三明治结构，其基本布局如图1所示。
图1：PEM燃料电池。（图源：Gregory/stock.adobe.com）
PEM燃料电池的工作原理如下：
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高压氢气进入燃料电池的阳极侧，并与铂催化剂接触。
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氢分子分解为质子和电子。
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质子穿过交换膜，而电子通过外部电路流动，产生电流。
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阴极处的氧分子从外部电路中获得电子，从而发生还原反应。
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这些氧原子与质子和电子结合形成水。
理想情况下，该过程发生在燃料电池电堆中，制造商可以将电堆集成到带有燃料、水、空气管理以及冷却液控制硬件和软件的完整系统中。
对于从事电力系统工作的电气工程师而言，在设计备用电源解决方案、微电网和清洁能源系统等应用时，理解这些原理至关重要。其中的关键挑战包括优化效率、管理水的生成，以及降低与铂催化剂相关的成本。
虽然理解PEM燃料电池的电化学原理是必要的，但其实际应用还需要先进的功率电子技术将电池的电能转换为可用电力。
燃料电池应用中的关键电子器件
功率电子器件可将低压、大电流输出转换为可用的电力，同时应对瞬态响应动态和单向电流流动等挑战。
DC-DC升压转换器对于将电池输出电压提升到适合汽车系统和住宅电力等应用的水平至关重要。这些转换器采用先进的配置（包括交错式设计），以提高效率和管理大电流。它们通常采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料，以充分利用其更高的开关频率和更出色的热性能，这是管理工作温度曲线和提高功率密度的关键。
在需要交流输出的场景中，例如电机驱动或电网连接，工程师通常采用两级转换过程，即初始升压转换器级+稳健的逆变器。并网系统的设计需要复杂的同步控制，以符合互联标准并确保在电网波动下保持稳定。
通过电池或超级电容器等元器件实现储能集成，对于管理负载波动和提升整体系统韧性也是非常重要的。先进的能源管理算法，如自适应控制和预测建模，可以优化燃料电池、储能设备与负载需求之间的相互作用，尽可能提高系统效率和元器件使用寿命。
引入分层控制系统也是必要的，因为燃料系统既需要元器件级别的毫秒级响应，也需要整个系统的协调才能正常工作。底层控制器可以快速做出功率转换决策，并确保各元器件平稳工作。同时，高级控制器负责整个系统的热管理，提前识别潜在问题，并确保所有元器件高效协同工作。
在设计燃料电池系统的功率电子器件时，工程师必须优先考虑关键性能指标，包括效率、热管理，以及防范反向电流和电磁干扰（EMI）等。这些先进的设计考量使燃料电池能够有效地应用于从便携式电子设备到汽车和电网等广泛领域。
虽然优化的功率电子器件是必不可少的组成部分，但它们也只是整个系统集成问题中的一部分。完整的燃料电池系统需要多个子系统之间的协调互动。
系统集成挑战
设计氢燃料电池系统真正的工程挑战在于创建一个协调的系统，使热管理、流体、机械和电气子系统协同工作。其温度必须维持在50–80°C的狭窄范围内，冷却系统需智能响应动态负载条件[8]。
氢气必须以精确的压力、流量和纯度水平供应。汽车系统通常以700bar的压力储存氢气，以便在有限空间内储存更多燃料。然而，为确保高效运行并防止过压损坏，电堆处的压力需降至1–2bar[9]。纯度水平也非常重要，因为即使是百万分之一的杂质也可能导致催化剂性能下降。
另一个挑战是占系统总成本50%以上的BOP组件[10]，也就是除燃料电池电堆本身之外的所有辅助系统，它们都是确保电堆正常运行所必需的，具体包括空气压缩机、加湿器、水管理系统、传感器和控制器等关键设备。这些组件的合理选型，是减少寄生损耗、确保高效工作的关键所在。
最后，现代燃料电池系统还会采用先进的诊断技术和机器学习算法，以预测维护需求并优化性能。它们能够预测从膜脱水到催化剂中毒等各种故障模式。
未来发展与机遇
氢燃料电池领域正迅速发展，通过材料和制造技术的创新来克服现有的局限性。研究人员正在开发替代方案以减少贵金属用量，而数字技术则通过先进控制系统和数据分析来提升系统性能。
规模经济、材料改进和设计优化将推动成本降低，进一步拓展氢燃料在数据中心、电信和船舶推进等领域的应用[11],[12],[13]。
电气工程师在推动这项技术发展方面发挥着关键作用，他们通过开发高效的功率电子器件、优化系统集成，以及在推动材料科学和数字控制领域的创新，为氢燃料电池的广泛应用奠定基础。随着燃料电池向新应用领域拓展，工程师们将会迎来塑造真正可持续能源未来的非凡机遇。
参考资料
https://www.toyota.com/mirai/[2] https://www.datacenterfrontier.com/design/article/11427183/rethinking-the-data-center-hydrogen-backup-is-latest-microsoft-moonshot
[3] https://www.power-eng.com/hydrogen/kohler-and-toyota-partner-on-hydrogen-fuel-cell-for-us-hospital/
[4] https://www.airbus.com/en/innovation/energy-transition/hydrogen
[5] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/articles/h2iq-hour-integrating-hydrogen-tech-and-grid-enable-efficient-and-stable
[6] https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2020/01/Path-to-Hydrogen-Competitiveness_Full-Study-1.pdf
[7] https://www.fuelcellbuses.eu/wiki/fuel-cells-hydrogen-and-fuel-cells/4-components-pem-fuel-cell
[8] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells
[9] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
[10] https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/87625.pdf
[11] https://www.plugpower.com/blog/hydrogen-fuel-cells-in-data-centers-a-clean-energy-revolution/
[12] https://fuelcellsworks.com/2025/01/22/clean-energy/fallback-friday-story-powercell-group-and-partners-deploy-hydrogen-fuel-cell-backup-power-at-telia-mobile-base-station
[13] https://energy.sandia.gov/programs/sustainable-transportation/hydrogen/fuel-cells/maritime-applications/
作者简介
Traci Browne是一位广受认可和推崇的记者兼作家，专注于制造业和工业应用领域，并且重点关注新兴技术、工程、机器人技术和工业物联网。她曾在《Robotics Business Review》、《NextBot》杂志、《Compoundings》杂志、《Plumbing & Mechanical Engineer》、《Intel IQ》、《Professional Mariner》和《Municipal Sewer and Water Magazine》等刊物上发表过文章。她还为知名的云平台和服务提供商、机器人制造商、跨国运输基础设施、工程、土木工程和建筑施工公司以及跨国技术公司撰写过文章。