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甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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上一期講堂中介紹了燃料電池單體的內部結構與反應原理，但是光是一個單體，并不足以承擔汽車動力源的重任 。那該怎么做？單打獨斗不行那就抱團啊 。
進入主題之前，先來回答上一期燃料電池【講堂】留言中提到的一些問題，也歡迎讀者在評論中提出疑問，共同討論 。
King’s Kiss：燃料電池車需要充電嗎？
A：燃料電池相對于鋰電池更大的優勢就在于它不需要充電，它不是儲能裝置，而是發電裝置，為它補充能源和加油一樣，給車上的氫罐加氫即可，燃料再填充的速度可以接近并達到當前加油的水平 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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老千克星弓長老：甲烷能不能做燃料電池的能量載體？
A：可以，參見上一期燃料電池分類的表格，天然氣、沼氣、甲烷都可以作為燃料電池的燃料，其發電的根本在于氧化還原反應的得失電子過程 。但是，不說不如氫氣環保的問題，能采用天然氣、甲烷作為燃料的燃料電池工作條件要求高，目前的技術下并不適合車用 。因此，車用燃料電池仍然以氫氣為主流 。
你說：有雜質的氫氣燃燒會不會爆炸？
A：并不會，燃料電池的發電過程中發生的是氧化還原反應，是電化學反應轉化能量，并不是通過燃燒轉化能量，有雜質可能會污染催化劑，減少壽命，燃料電池電堆也有一套嚴格的熱管理系統控制電堆的散熱，在整個反應過程中，氫氣都不會燃燒也不會爆炸 。需要燃燒氫氣的是氫氣發動機，寶馬曾經研究過，和現在的汽油機類似，只是燃料從汽油換成了氫氣 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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☆堆疊：為了更高的電壓之前介紹了燃料電池在使用時需要首尾相連，組成電堆，想像一下，這個場景和使用5號干電池時將其首尾相連獲得1.5V*2=3V電壓的意義完全相同 。就像5號干電池的電壓只有1.5V（鎳鉻鎳氫充電電池的標稱電壓只有1.2V），一節燃料電池單體的電壓也是有上限的，不高，理論值為1.229V（25℃，1atm下），但正常使用過程中，這個值更低，一般在0.6-0.8V左右 。
理論值根據能斯特方程計算，與反應溫度和反應氣體（氫氣、氧氣）壓力有關
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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這么低的電壓很難驅動用電器，我們知道，現在的電動車普遍的工作電壓在300-400V左右，很多車企已經在研究700V-800V的高壓供電系統 。這是為了在同等功率需求下降低電流從而降低損耗，和家用電在入戶前需要高壓傳輸一樣 。
因此，為了實現高電壓輸出，必須將幾百片燃料電池的單體串聯，組合成電堆，才能正常驅動車輛 。特斯拉不也是把好多好多18650電池串聯（提高電壓）再并聯（提高電量）組成電池組嗎？燃料電池的電堆也是如此 。能斯特電壓與電池的電流無關，只與溫度和進氣壓力有關 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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但是，都說了理論值，實際上我們使用的燃料電池不可能達到這一電壓，就像普通干電池有內阻一樣，燃料電池也存在著損耗，有三種：活化損失、歐姆損失和濃差損失，也可以被稱為活化極化（過電壓）、歐姆極化（過電壓）和濃差極化（過電壓） 。
活化極化是指在電化學反應中維持反應正常進行，驅動電子/質子定向運動而消耗的能量，它的大小與電流相關，電流越大，活化損失越大 。歐姆極化則相當于燃料電池的內阻，同樣與電流成正相關 。濃差極化主要發生在大電流工作狀態下，此狀態下，電化學反應速度極快，電極處反應物迅速消耗，氫氣氧氣得不到及時補充，壓力下降，即反應物出現濃度差，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：
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燃料電池的三種損失都與電流密度（電流÷反應面積）相關，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 。

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