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  汽车行驶在道路上,行驶状态不断变化,上下坡、加减速,需要发动机/电动机输出不同的功率。如果一辆燃料电池汽车,通过燃料电池发电直接驱动电机,就需要燃料电池不断变化功率载荷。

  然而,燃料电池似乎并不太喜欢变载,变载必须让进气(氢气、空气)等外部条件随之变化。

  从燃料电池电堆(燃料电池系统最核心的发电单元)的角度看,电堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、(反应)微流道等等,都是基于某一工况范围设计的。现在电堆功率越设计越大,动辄百千瓦上下。迫于对功率密度的需求,往往要通过大电流密度实现。这让通气条件在全工况下适应非常困难。在负载过大或过小时,电堆可能只能短时间工作,以避免因水热问题造成损坏。

  从系统角度讲,燃料电池的辅助系统(BOP,Balance of Plant)似乎也不太喜欢变载。比如空压机会有最合适的一段输出区间,此区间空压机效率较高,且工作稳定。另外,比如更简单的管路,由于管径固定,如果气体量太小,那么气体压力无法控制;如果气体量太大,那么会有很大的压降损失,甚至造成密封失效。

  从能量角度讲,所有“体外循环”的电池,在工作过程中,都会有能量的损耗。因为维持电堆运行的供气系统、冷却系统都会消耗能量。当电堆出力较低时,BOP待机功耗相对纯电动系统更大(如同汽车怠速的效果)。同时电堆低功率出力时,为了平衡流场设计和水热管理,往往进气计量数更大。系统能效整体降低。

  虽然燃料电池不喜欢变载,但并不代表不能变载。可以通过系统管理来实现。但这是个及其复杂的过程。当系统要求电堆出力提高时,氢气和空气的进气量随之提高,电堆电流密度上升,电堆输出功率上升(但可能伴随效率下降),发热量也随之上升。冷却系统控制冷却泵增加循环水量。氢循环泵循环量增大,阴极(或阳极)排气量和排水量也随之发生变化。

  与此同时,电堆单池之间的差异也可能随之增大,系统会采取诊断和保护措施……

  可能就是上坡跟车时的一脚油门,系统就要做出一连串的复杂动作。如果哪一步没跟上,燃料电池就像一台涡轮迟滞明显的早起涡轮增压发动机,甚至直接故障。同时,频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。

  因此,燃料电池整套管理机制,要设计的相当严谨。如果说传统电动车是电和热的组合,那么燃料电池则至少多出两个维度:气体(氢气和空气)和水(氢氧反应产生的水以及冷却液)。电、热、空、氢、水五场合一,相互联动。再加上日益增大的单堆功率,让系统的控制难度呈几何级数上升。燃料电池的成本当中,系统成本至少占三分之二,也是可以理解的。

  电电组合的出现,可以大大降低系统管理的难度。因为大部分情况下,通过电池可以减小电堆功率的调节范围。当前,电电混合的常见形式有三种。分别是能量存储、功率平衡、增程续航。

  电动车业内的大佬马斯克认为氢是一种低效的能源。能源经过的多次转换,看似远不如直接用电高效。

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