甲烷燃料电池(甲烷燃料电池酸性和碱性方程式)

上一期讲堂中介绍了燃料电池单体的内部结构与反应原理，但是光是一个单体，并不足以承担汽车动力源的重任。 那该怎么做？单打独斗不行那就抱团啊。

进入主题之前，先来回答上一期燃料电池留言中提到的一些问题，也欢迎读者在评论中提出疑问，共同讨论。

King’s Kiss：燃料电池车需要充电吗？

A：燃料电池相对于锂电池最大的优势就在于它不需要充电，它不是储能装置，而是发电装置，为它补充能源和加油一样，给车上的氢罐加氢即可，燃料再填充的速度可以接近并达到当前加油的水平。

老千克星弓长老：甲烷能不能做燃料电池的能量载体？

A：可以，参见上一期燃料电池分类的表格，天然气、沼气、甲烷都可以作为燃料电池的燃料，其发电的根本在于氧化还原反应的得失电子过程。 但是，不说不如氢气环保的问题，能采用天然气、甲烷作为燃料的燃料电池工作条件要求高，目前的技术下并不适合车用。 因此，车用燃料电池仍然以氢气为主流。

你说：有杂质的氢气燃烧会不会爆炸？

A：并不会，燃料电池的发电过程中发生的是氧化还原反应，是电化学反应转化能量，并不是通过燃烧转化能量，有杂质可能会污染催化剂，减少寿命，燃料电池电堆也有一套严格的热管理系统控制电堆的散热，在整个反应过程中，氢气都不会燃烧也不会爆炸。 需要燃烧氢气的是氢气发动机，宝马曾经研究过，和现在的汽油机类似，只是燃料从汽油换成了氢气。

☆堆叠：为了更高的电压

之前介绍了燃料电池在使用时需要首尾相连，组成电堆，想像一下，这个场景和使用5号干电池时将其首尾相连获得1.5V*2=3V电压的意义完全相同。 就像5号干电池的电压只有1.5V（镍铬镍氢充电电池的标称电压只有1.2V），一节燃料电池单体的电压也是有上限的，不高，理论值为1.229V（25℃，1atm下），但正常使用过程中，这个值更低，一般在0.6-0.8V左右。

理论值根据能斯特方程计算，与反应温度和反应气体（氢气、氧气）压力有关

这么低的电压很难驱动用电器，我们知道，现在的电动车普遍的工作电压在300-400V左右，很多车企已经在研究700V-800V的高压供电系统。 这是为了在同等功率需求下降低电流从而降低损耗，和家用电在入户前需要高压传输一样。

因此，为了实现高电压输出，必须将几百片燃料电池的单体串联，组合成电堆，才能正常驱动车辆。 特斯拉不也是把好多好多18650电池串联（提高电压）再并联（提高电量）组成电池组吗？燃料电池的电堆也是如此。 能斯特电压与电池的电流无关，只与温度和进气压力有关。

但是，都说了理论值，实际上我们使用的燃料电池不可能达到这一电压，就像普通干电池有内阻一样，燃料电池也存在着损耗，有三种：活化损失、欧姆损失和浓差损失，也可以被称为活化极化（过电压）、欧姆极化（过电压）和浓差极化（过电压）。

活化极化是指在电化学反应中维持反应正常进行，驱动电子/质子定向运动而消耗的能量，它的大小与电流相关，电流越大，活化损失越大。 欧姆极化则相当于燃料电池的内阻，同样与电流成正相关。 浓差极化主要发生在大电流工作状态下，此状态下，电化学反应速度极快，电极处反应物迅速消耗，氢气氧气得不到及时补充，压力下降，即反应物出现浓度差，因此被称为浓差损失。 这三种损失均可以通过电压降的形式表示，实际燃料电池的工作电压为：

燃料电池的三种损失都与电流密度（电流÷反应面积）相关，在低电流密度阶段活化极化是主要影响因素，中电流密度时，欧姆极化占主流，此时燃料电池的i-V曲线基本成一直线，而高电流密度时，主要的影响因素又变成了浓差极化。 可以看到，低电流密度和高电流密度时，输出电压变化较大，且不线性，因此正常使用时，应尽量使用中间线性段。 而此时的燃料电池电压为多少呢？0.6-0.8V左右。

由于这样的特性，燃料电池的功率密度随着工作电流密度的增加，先上升，在某一电流密度处达到最大值，之后在高电流密度处呈下降趋势。 燃料电池的电流密度直接与消耗的燃料成正比，在一定的电流密度下，电压下降越多，电功率下降越多，单位燃料所发出的功率越小，效率也就越小。

前边提到了电流密度，电流÷反应面积很容易理解，因为燃料电池的发电特性，氢气和氧气在双极板上发生反应，一个氢分子可以产生两个电子通过外电路，自然，在反应物浓度一定（对于气体而言就是压力一定）时，双极板面积越大，就有越多的氢气和氧气参与反应。 也就是说，燃料电池能够输出多大的电流，不仅仅和反应气的压力有关，与其尺寸同样相关。

打个比方，双极板的面积就好比内燃机的气缸容积，而反应气的浓度则可以类比看成喷油量和进气量。 那么自然，气缸容积大的内燃机在输出上天生有优势。 但是单纯的输出能不能够反应发动机的技术程度高低呢？并不能，一台新款的2.0T对比老旧的V8可能输出没那么高，可技术水平则并不能简单的评价。 因此，我们用升功率来评价内燃机，类比功率密度（电流密度×电压=功率÷反应面积）评价燃料电池。

☆关键缺陷：慢

经过之前的分析，我们可以看到，燃料电池的输出受限于众多内在因素，体现在宏观外在的表现就是，燃料电池的输出特性很软，它无法应对剧烈的功率需求变化。 比如驾驶员踩死油门，ECU指挥气泵加大氢气输出量，压力提高，电流密度逐渐提高，同时电压却在下降，不仅响应慢，变化的电压也影响了整个电系统的效率。 就像一台涡轮迟滞非常明显的早期涡轮增压发动机，甚至更差。 而且，频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。

图为一台额定功率55kW燃料电池电堆从0到满功率的输出仿真曲线，需要差不多25s燃料电池才能达到额定功率

因为这样的特性，燃料电池很难像电池或者发动机那样作为车辆的单一能量源，在实际设计中，一般燃料电池会与蓄电池或者超级电容组成电-电混合动力系统。 依靠输出更稳定，响应更快的蓄电池来满足高频的动力需求，而让燃料电池尽量平稳输出。 从这个角度来看，燃料电池相当适合作为增程器来使用。 就像现在的增程式电动车一样，只不过把用汽油发电的发动机改成燃料电池发电。

有了电堆也不是终点，就像发动机，不可能只有一个本体，还有燃油供给、空气供给、冷却、润滑等等众多辅助装置。 分别对应了燃料电池的氢气/空气供应系统、热管理系统、水管理系统等。 因此，完整的可以安装在车上，包括电堆以及整套辅助装置的燃料电池系统也被称为“燃料电池发动机”。

燃料电池的优势在于其在稳定工作状态时，能够达到高于内燃机的效率，因此，如何利用这一特点，分配燃料电池/蓄电池组成的混合动力系统之间的功率分配，也既能量管理策略是当前的研究重点。 增程式是一个较为简单的解决方案。 上一篇《讲堂》中作为引子的爱驰亿维RG Nathalie概念车便采用了这种方案。 那么除了增程式，燃料电池汽车是否能够像油电混动车那样有强混、弱混、或者插电什么的其他方案吗？下一期讲堂就讨论“燃料电池发动机”装到车上之后又会发生什么。

本文作者为踢车帮 陆思灏

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