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甲烷燃料電池 甲烷燃料電池酸性和堿性方程式( 二 )

云知道燃料電池


活化極化是指在電化學(xué)反應(yīng)中維持反應(yīng)正常進行，驅(qū)動電子/質(zhì)子定向運動而消耗的能量，它的大小與電流相關(guān)，電流越大，活化損失越大 。歐姆極化則相當于燃料電池的內(nèi)阻，同樣與電流成正相關(guān) 。濃差極化主要發(fā)生在大電流工作狀態(tài)下 ， 此狀態(tài)下，電化學(xué)反應(yīng)速度極快，電極處反應(yīng)物迅速消耗，氫氣氧氣得不到及時補充，壓力下降，即反應(yīng)物出現(xiàn)濃度差，因此被稱為濃差損失 。這三種損失均可以通過電壓降的形式表示，實際燃料電池的工作電壓為：

燃料電池的三種損失都與電流密度（電流÷反應(yīng)面積）相關(guān)，在低電流密度階段活化極化是主要影響因素，中電流密度時，歐姆極化占主流 ， 此時燃料電池的i-V曲線基本成一直線，而高電流密度時 ， 主要的影響因素又變成了濃差極化 ?？梢钥吹剑碗娏髅芏群透唠娏髅芏葧r，輸出電壓變化較大，且不線性，因此正常使用時，應(yīng)盡量使用中間線性段 。而此時的燃料電池電壓為多少呢？0.6-0.8V左右 。

由于這樣的特性，燃料電池的功率密度隨著工作電流密度的增加，先上升，在某一電流密度處達到更大值，之后在高電流密度處呈下降趨勢 。燃料電池的電流密度直接與消耗的燃料成正比 ， 在一定的電流密度下，電壓下降越多，電功率下降越多，單位燃料所發(fā)出的功率越?。?效率也就越小 。
前邊提到了電流密度，電流÷反應(yīng)面積很容易理解 ， 因為燃料電池的發(fā)電特性，氫氣和氧氣在雙極板上發(fā)生反應(yīng) ， 一個氫分子可以產(chǎn)生兩個電子通過外電路，自然，在反應(yīng)物濃度一定（對于氣體而言就是壓力一定）時，雙極板面積越大，就有越多的氫氣和氧氣參與反應(yīng) 。也就是說，燃料電池能夠輸出多大的電流，不僅僅和反應(yīng)氣的壓力有關(guān)，與其尺寸同樣相關(guān) 。

打個比方，雙極板的面積就好比內(nèi)燃機的氣缸容積，而反應(yīng)氣的濃度則可以類比看成噴油量和進氣量 。那么自然 ， 氣缸容積大的內(nèi)燃機在輸出上天生有優(yōu)勢 。但是單純的輸出能不能夠反應(yīng)發(fā)動機的技術(shù)程度高低呢？并不能，一臺新款的2.0T對比老舊的V8可能輸出沒那么高 ， 可技術(shù)水平則并不能簡單的評價 。因此，我們用升功率來評價內(nèi)燃機，類比功率密度（電流密度×電壓=功率÷反應(yīng)面積）評價燃料電池 。
☆關(guān)鍵缺陷：慢經(jīng)過之前的分析，我們可以看到 ， 燃料電池的輸出受限于眾多內(nèi)在因素，體現(xiàn)在宏觀外在的表現(xiàn)就是 ， 燃料電池的輸出特性很軟，它無法應(yīng)對劇烈的功率需求變化 。比如駕駛員踩死油門，ECU指揮氣泵加大氫氣輸出量，壓力提高 ， 電流密度逐漸提高，同時電壓卻在下降 ， 不僅響應(yīng)慢，變化的電壓也影響了整個電系統(tǒng)的效率 。就像一臺渦輪遲滯非常明顯的早期渦輪增壓發(fā)動機，甚至更差 。而且，頻繁的功率變化也會讓燃料電池的壽命加速衰減 。

圖為一臺額定功率55kW燃料電池電堆從0到滿功率的輸出仿真曲線，需要差不多25s燃料電池才能達到額定功率
因為這樣的特性，燃料電池很難像電池或者發(fā)動機那樣作為車輛的單一能量源，在實際設(shè)計中，一般燃料電池會與蓄電池或者超級電容組成電-電混合動力系統(tǒng) 。依靠輸出更穩(wěn)定，響應(yīng)更快的蓄電池來滿足高頻的動力需求，而讓燃料電池盡量平穩(wěn)輸出 。從這個角度來看 ， 燃料電池相當適合作為增程器來使用 。就像現(xiàn)在的增程式電動車一樣，只不過把用汽油發(fā)電的發(fā)動機改成燃料電池發(fā)電 。

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