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甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池( 二 )

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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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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，單位燃料所發出的功率越小，效率也就越小 。
前邊提到了電流密度，電流÷反應面積很容易理解，因為燃料電池的發電特性，氫氣和氧氣在雙極板上發生反應，一個氫分子可以產生兩個電子通過外電路，自然，在反應物濃度一定（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 。也就是說，燃料電池能夠輸出多大的電流，不僅僅和反應氣的壓力有關，與其尺寸同樣相關 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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打個比方，雙極板的面積就好比內燃機的氣缸容積，而反應氣的濃度則可以類比看成噴油量和進氣量 。那么自然，氣缸容積大的內燃機在輸出上天生有優勢 。但是單純的輸出能不能夠反應發動機的技術程度高低呢？并不能，一臺新款的2.0T對比老舊的V8可能輸出沒那么高，可技術水平則并不能簡單的評價 。因此，我們用升功率來評價內燃機，類比功率密度（電流密度×電壓=功率÷反應面積）評價燃料電池 。
☆關鍵缺陷：慢經過之前的分析，我們可以看到，燃料電池的輸出受限于眾多內在因素，體現在宏觀外在的表現就是，燃料電池的輸出特性很軟，它無法應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，不僅響應慢，變化的電壓也影響了整個電系統的效率 。就像一臺渦輪遲滯非常明顯的早期渦輪增壓發動機，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 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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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動機那樣作為車輛的單一能量源，在實際設計中，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 。依靠輸出更穩定，響應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 。就像現在的增程式電動車一樣，只不過把用汽油發電的發動機改成燃料電池發電 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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有了電堆也不是終點，就像發動機，不可能只有一個本體，還有燃油供給、空氣供給、冷卻、潤滑等等眾多輔助裝置 。分別對應了燃料電池的氫氣/空氣供應系統、熱管理系統、水管理系統等 。因此，完整的可以安裝在車上，包括電堆以及整套輔助裝置的燃料電池系統也被稱為“燃料電池發動機” 。
甲烷燃料電池堿性電極反應式 甲烷燃料電池

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燃料電池的優勢在于其在穩定工作狀態時，能夠達到高于內燃機的效率，因此，如何利用這一特點，分配燃料電池/蓄電池組成的混合動力系統之間的功率分配，也既能量管理策略是當前的研究重點 。增程式是一個較為簡單的解決方案 。上一篇《講堂》中作為引子的愛馳億維RG Nathalie概念車便采用了這種方案 。那么除了增程式，燃料電池汽車是否能夠像油電混動車那樣有強混、弱混、或者插電什么的其他方案嗎？下一期講堂就討論“燃料電池發動機”裝到車上之后又會發生什么 。
【甲烷燃料電池堿性電極反應式甲烷燃料電池】本文作者為踢車幫 陸思灝

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