摘要：  作为高效率与环境友好的能源技术，本文阐述了燃料电池的功能与特点，并重点介绍了燃料电池供电系统(FCFPS)各类应用中的电子变换电路技术。

关键字：  电源，燃料电池(FC)，燃料电池供电系统(FCFPS)

1 前言
大气中CO2排放量和污染程度的加剧，导致了温室效应愈益明显，因此绿色能源技术引起了世界各国的普遍关注。燃料电池(FC)技术正日 趋成熟。在环保与能源备受人们重视的今天，FC的应用前景越来越广阔。
从本质上讲，FC是一种高效率，环境友好的发电装置，等温地按电化学方式，直接将贮存于燃料与氧化剂中的化学能转化为电能，而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转换效率高，且无噪音、无污染，FC正在成为理想的替代能源。
本文，阐述了作为电源优选方案之一FC的各种应用，并重点介绍了FC供电系统中有关的电力电子(PE)技术和电子变换电路技术等。
2 燃料电池的特点及种类
通常的化石燃料储备将很快耗尽，不断上升的石油价位和温室气体排量的飙升，迫使人类去寻求一种有效的解决途径和符合环保的能源技术，FC技术就是一个这样的技术，它能达到高的效率和低的排放。此外，它还具有以下优点包括：排除的热量可重复利用，可实现模块化，安装简易，以及采用不同燃料的可能性，例如天然气、液化气(LPG)、甲烷和矿物油等。FC系统正在考虑向电网供电的合适方案；或作为现场发电，供家庭/工业上用电；也可作为分布式发电(DG)的电源应用，支撑了电压的稳定性，减少了传输与配电线路的损耗，且能改善电能质量和提高可靠性。
FC在使用上也存在一些技术挑战性的课题：随着负荷的变化和时间的推移，其输出电压的下降明显；有限的过负载能力；相对于功率定额，其输出电压的范围太小；以及对负荷变化的响应不够灵敏等。另外，FC不能吸收任何功率和不能接受从负荷侧反馈的任何波动。上述所有课题均意味着：在FC应用中必须有一个合适的功率调节装置与其组合使用。
在每个不同的研制阶段，存在各种不同的燃料电池。燃料电池的分类一般均基于所采用电解质的类型。目前主要有以下几种：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)、直接醇类燃料电池(DMFC)以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
3 燃料电池供电系统(FCFPS)
燃料电池供电系统(FCFPS)由各个子系统如：燃料加工处理机，燃料电池堆(FC Stack)，功率调控单元(PCU)和控制器等组成，如图1所示。
燃料中的专用术语“重整”(reforming)是指碳氢燃料如（甲醇、乙醇、汽油等）在一定的温度、压力和催化剂的作用条件下，与第二种物质（如水、氧气）反应，生成富含氢的气态混合物的过程。图1所示的燃料处理机就是用于“重整”不同的燃料，生成富含氢的气体；发电单元则是按电压和电流要求、由串/并连接的FC堆组成的；控制器主要用于控制和协调各个子系统及其参数。
图2所示为FC典型的U~i特性，表征FC电压和电流的关系。许多情况下，电流表示为FC的电流密度，有时也称作极化曲线。从图2看到，FC电压未保持理想的恒定值，是随负荷电流的变化而变化的。事实上，在所有的发电机中，相对电流来说均可观察到电压的下降，但在FC中这一电压降尤为显著。而且，FC堆的电压一般要求变换电压等级，以便满足特殊应用时的需要。因此，由FC输出的未调节的直流电压，必须予以调控，并转换为每项应用中另一电平级的DC或AC，这就要利用功率调节器或PCU来实现，根据应用场合的不同，采用各种不同的功率调节配置。下面介绍几种主要应用场合下的典型功率调节拓扑。
3.1 FCFPS用于独立供电 
在一些地点，已安装FCFPS用于固定式供电，如医院、宾馆、酒店、办公建筑楼房、甚至在航空站终端的供电等，图3为独立交流电源应用中的FCFPS，图中给出了由DC/DC和DC/AC功率变换级组成的PCU，如果应用场合是直流负载，就取消DC/AC逆变级。
可取代图3所示PCU框图的一个可能实现的电路结构示于图4。在该电路中，未调节的燃料电池堆电压，首先逆变成高频的交流波形，然后再通过一轻巧而紧凑的高频变压器(Tx)，按照电压等级上升至较高值。带电绝缘的变压器副边（二次侧）电压经整流，然后逆变成低频（通常为50或60Hz）的交流，再通过LC滤波器馈送至负载。对于电感性负载，除电压调节以外，PCU还必须适应浪涌要求。故PCU还须加装能量储存单元(ESU)，例如蓄电池或超级电容器，如图5所示。ESU起到DC/DC变换器和DC/AC逆变器之间的能量缓冲作用，以满足瞬变过程中的浪涌要求。
一般电池直流输出，按直流升压稳定器(DC/AC)将燃料电池输出直流电稳定在用户需要的范围内，不随电池输出功率的变化而改变；对交流用户，再接一个逆变器，将DC逆变为一定频率的单相或三相交流电（见图5）；为适应像电机启动时峰值脉冲功率这样的要求，除将蓄电池或超级电容器与FC输出并联供电以外，同时可再加置一个功率与蓄电池匹配的DC/DC，在FC正常输出时，给蓄电池充电。图6为FC与蓄电池并联供电的原理框图。
3.2 FCFPS用于UPS
用于UPS（不间断电源）的典型FCFPS，由燃料电池堆与蓄能单元(ESU)、双向变换器以及转换继电器一起组成，如图7所示。DC/DC变换器和DC/AC逆变器这二者是与图5电路类似的设计。双向变换器被用于控制储能单元充电时作为升压的变换器，和负载浪涌电流要求当它向电源放电时作为降压变换器。图8为可能的结构配置线路之一。在高压侧，利用双向变换器配有蓄电池或超级电容器的接口。在所有各种型式的燃料电池中，因为PEMFC的结构紧凑、重量轻，此外在室温下它们能提供高的输出功率密度，系统运行时容易启动和停止，故PEMFC更适合UPS应用。
3.3 FCFPS用于网上供电
燃料电池已用于分布式电源，但对燃料电池供电给网络应用，功率调节单元(PCU)应满足联网的要求。如确保电力质量，备有电压、频率、相序的检测与比较等，PCU应按照相应国际标准（如IEEE519）将高品质正弦电流波形注入网络。因此，必须有网络参数监视与调节的控制电路，如图9所示。
3.4 FCFPS用于车辆供电
采用燃料电池的车辆比一般车辆，能展示更高的效率和更低的排放。在各类燃料电池中，PEMFC同样由于上述优点（运行温度低、功率密度和效率高等）更适合于车辆上使用。但是，PEMFC要求纯氢气作为燃料，甚至少量的CO污染也会对电极有不利影响，结果导致性能下降。PEMFC还要求有对潮湿和水的管理系统。
所有燃料电池的主要问题是启动缓慢和响应特性不灵敏。由于这些缺点，燃料电池总是作为辅助电源，与蓄电池或超级电容器混合使用。
图10(A)所示为车辆上应用的FCFPS方框图。其中包括功率调节器和各种控制器。升压式DC/DC级一般要求提升燃料电池堆的低电压。图10(B)为用于动力装置（发动机）的功率调节器一个可能的结线图。
双向变换器对发动机蓄电池或超级电容器充电。蓄电池或超级电容器的电压根据车辆控制器所需的牵引功率而变化，所需牵引功率则是基于加速度和再生制动的要求。发动机要求的功率由蓄电池/超级电容器和燃料电池供给。如果我们采用一般的PWM逆变器，因燃料电池堆电压随负荷而变化，直流母线电压也改变，故要求DC/DC变换器能提升PWM逆变器系统达到恒定的直流电压，高于燃料电池最大的输出电压，且与负载的变化无关。Z--电源逆变器可取代[升压式DC/DC+逆变器]级，如图11所示。这一逆变器拓扑的有利特点是：藉适当控制器件Q5、Q6…Q10，可以升压又能将DC电压逆变成AC电压。通过有限制的调节工作周期，以保持横跨开关两端的电压在极限值以内，Z--电源逆变器可输出符合要求的电压。
汽车应用领域的燃料电池系统，可设计为带蓄电池的并联负载配电形式，或作为范围扩展应用。作为范围扩展时，燃料电池将只给驱动中的蓄电池充电，蓄电池必须按全功率设计。这里，FC的启动和响应时间不是主要因素，因为在局部负载范围内，FC单元有利的效率曲线，较小容量的蓄电池系统和全功率FC堆更有吸引力；然而，从成本因素考虑，较小的燃料电池和较大的蓄电池配备或许更佳。

参考文献
[1] Dr Vivek Agerwal ，Boddu Somaich Fuel Cells As Alternate Source of Power，Electrical India II 2009.NO11，159-169
[2] 衣宝廉著 FC原理。技术。应用，化学工业出版社，2003.8月