燃料電池是一種電化學裝置，可將氣態燃料(通常是氫)的化學能直接轉化為電能。這一過程發生在反應室或 “電池 ”中(圖 1)。當氫作為燃料時，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，在陰極產生氫氣，在陽極產生氧氣，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)結合產生電流，唯一的副產品是水和熱量。

圖 1：電解池與燃料電池示意圖

雖然燃料電池技術通常被視為現代技術，但它的歷史可以追溯到 19 世紀初科學家漢弗萊-戴維爵士和威廉-格羅夫爵士制造的第一批原型機。20 世紀 60 年代，人們開發出實用的氫燃料電池技術，為焊接設備、農用拖拉機甚至太空任務提供動力。進一步發展的一個重要障礙是設計出耐用的界面技術，以分離電池中的氣體和液體電解質。這種界面需要具有氣體滲透性、導電性和耐電解質腐蝕和發熱性。如今，使用質子交換膜(PEM)的結構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，在交通運輸領域的吸引力與日俱增。目前，寶馬、豐田、本田和現代等許多主要汽車制造商都在生產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，而且續航能力更強。

高壓加氫站的操作與傳統燃油泵類似，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用的理想選擇，在這些應用中，快速加氫、重量更輕和續航里程更長是關鍵因素。因此，FCEV 越來越多地側重于卡車和鐵路應用，而清潔燃料電池驅動的公共汽車和有軌電車已經出現在許多城市地區。此外，小規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，從而無需持續運行的柴油發動機來保持易腐貨物的低溫。

氫燃料電池還被應用于固定電力系統，為建筑物、工業場所甚至整個社區提供電力。燃料電池本身具有可擴展性：增加電池數量可提高電壓，擴大電池表面積可增加電流，多個電池組并聯可提高功率。不過，由于單個電池產生的電壓相對較低(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(數百安培)，從而簡化結構(圖 2)。

圖 2：燃料電池堆結構便攜式電源應用是燃料電池的另一個前景廣闊的用途，尤其是在軍事、醫療和消費電子領域。與傳統電池相比，燃料電池的工作時間更長，這在偏遠、離網或緊急情況下是一個優勢。例如，美國軍方正在探索用小型燃料電池為野戰設備供電，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展，但它仍然面臨著固有的技術挑戰，這些挑戰阻礙了燃料電池的廣泛應用。要使氫燃料電池在我們的能源轉型中發揮重要作用，解決這些挑戰至關重要。

反應時間問題

由于燃料電池是通過涉及兩種氣體的化學反應來產生能量的，因此當燃料滲入堆棧時，氣體供應和能量輸出之間會有延遲(圖 3)。對于固定的固定應用，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：燃料電池堆反應時間另一個挑戰是緊急停車。與可以快速關閉的燃料燃燒發動機不同，燃料電池需要沖洗以清除反應氣體，從而停止發電。這使得關閉過程相對緩慢。

DC/DC 轉換器在燃料電池系統中的作用

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

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

穩定啟動和關閉斜坡，緩解任何負載瞬變，提供電池組所需的穩定充電電壓。

跟蹤燃料電池的最大功率點 (MPP)，根據負載、時間和溫度進行調整，以保持最佳效率。

在緊急情況下突然斷開燃料電池堆。

監控電池電壓和電流，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 總線通信系統集成，實現集中監控。

RECOM 的模塊化 15kW DC/DC 解決方案可通過并聯五個模塊提供高達 75kW 的功率，適用于卡車、船舶、鐵路車輛和大功率離網電動汽車充電站等重型應用。該轉換器的標稱輸入電壓為 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行監控，監控范圍為設定電壓的 ±2% 和設定電流的 ±5%。該解決方案還符合沖擊和振動 ECER100 標準，同時集成了 ECER10 EMC 濾波器，可直接安裝在汽車應用中。

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

液冷系統設計緊湊，工作溫度范圍寬，75 千瓦設備的尺寸僅為 750 x 400 x 200 毫米。DC/DC 轉換器可在 -40°C 至 +50°C 的環境溫度下以全功率運行，內置短路、輸出過流和輸出過壓保護功能，并可在冷卻系統發生故障時自動關機。

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

該結構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)進行優化。各單元之間的并行連接也允許擴展，使配置最高可達 225 千瓦，是大功率

離網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字接口。

圖 5：模塊化 75 千瓦 DC/DC 轉換器

結 論

燃料電池為實現更清潔、更可持續的能源格局提供了一條多功能且前景廣闊的途徑，是實現應對氣候變化所需的去碳化目標的關鍵一步。與可編程千瓦 DC/DC 轉換器搭配使用時，燃料電池可為難以電氣化的行業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的過度壓力。