氫燃料電池的兩個重要特性和燃料電池系統系統集成在干的四個控制參數

? ?首先對于氫燃料電池系統而言，先認識幾個重要的特性參數：

（1）低電壓：

? ?（理想狀態下在純氫和純氧的情況下，質子交換膜的單片電壓E°=1.23V,但是實際的輸出E=0.5V-0.7V左右）

（2）高電流：

（怎么理解呢？就是例如我們的電池的操作電流密度：i=1000mA/cm2=1A/cm2,那么對于一個單電池為5cm*5cm，它的電流就等于：I=5cm*5cm*1A/cm2=25A.這只是一個實驗室的小的單體電池大小，那么對于我們經常在市面上見到的商用的燃料電池而言，他的面積有可能達到25cm*50cm,那么針對于這款電池而言，這個電池的電流就可以達到：I=25cm*50cm*1A/cm2=750A）

至于為什么會出現這兩個特性，我們來看一下質子交換膜燃料電池的電壓-電流特性以及功率-電壓-電流的特性圖?：

? ? 從電壓電流的趨勢圖可以看出，質子交換膜燃料電池的電壓和電流的分布：

1-電壓最大的時候，電流最小；

2-電壓最小的時候，電流最大；

是不是很有意思，其次從功率P=E*I的關系，不難發現，隨著電流的增加功率P存在一個最高點P(max)，隨后，馬上開始下降，

那么好奇心的驅動下，這個功率的曲線圖有什么用呢？（當然有用哈）

分場景考慮一下，在我們車用的電堆系統而言，我們希望的是什么？那就是隨著我電流的增加，輸出功率是在增加的，所以在我們車（以及類似的應用場景下）的控制要求其電壓和電流處于?最高點P(max)后面的三分之二的位置，進行控制策略的施加，因為這樣的應用的場景下電壓不需要做的很大，根據電池的特性，串聯增壓和并聯增流，不需要將電壓串聯的很大，而電流的增加可以是增加面積和并聯來實現，可以做的系統集成的很小。

另外一個場景下，就是電站的使用，這時候，希望能量轉化效率較高，我們不需要太大的電流（就好比我國的高壓遠距離傳輸，都是希望電能損耗的越小越好），這個應用場景下，就可以采用離最高點P(max)較遠的位置，但這個時候，我們的電堆就做的很大，這就是為什么會有上一篇文章里面展示的撬裝式電站那么大了，下圖的這個，可以看出真的很大。

? ?現在再理解為什么車用的具有兩個特性（1）低電壓（2）高電流了吧。

接下來，重點看看系統集成，集成，都是在干些什么，為什么市面上都是系統集成廠商在競爭，總結了以下四個控制參數：（這里不考慮那些由于反應氣帶來的雜質以及輔路介質的雜質等的考慮），咱只考慮電池的本身

（1）反應的流速的控制

? ? ? ??正如圖中所示，電池分為陽極和陰極，在陽極和陰極分別有氫進氫出，空進空出，想要電池內部的反應充分可靠，首先要保證足夠的濃度，所以對于流速的控制是至關重高的

（2）電池的溫度的控制

? ? ? 首先這是一個電化學反應，溫度的升高有利于反應的進行，當然也有利于排水，但是隨著溫度的持續的升高，水排的太多話，就會使得里面的那層綠色的膜（質子交換膜）干掉，因此溫度的控制是至關重要的（包括空氣進來溫度、氫氣進來溫度、電池本身溫度）

（3）氣體壓力的控制

? ? ? 對于壓力的控制體現在空出和氫出的壓力的控制，壓力越高，反應氣體的成分越多，相比而言就是反應物的活性越高，另外，如果陰陽兩極壓力的控制不好，很有可能造成中間的膜穿透哦

（4）濕度的控制
對濕度的控制在于空氣的濕度和氫氣的濕度，都需要進行控制，因為我們中間的那個綠色的膜的離子導電度是依靠中間的膜來實現傳輸的，當進來的空氣和氫氣的太干燥時候，本身濕潤的膜的水分馬上就會被增發掉，這時該膜的離子的傳輸就會大大的受損(也就是電池離子傳輸的內阻較大，發熱較大），但是如果進來的空氣和氫氣含水太多的話，還會造成水淹的現象（氣體擴散層和流道的水淹使得氣體反應物到達反應位點的傳輸受阻，催化劑的活性面積因水的覆蓋而降低，PEMFC的活化損耗和濃差損耗顯著增加），那么對于空氣，氫氣的濕度再加上溫度的考慮，因此對于濕度的控制蠻復雜的，也是很重要的。

? ? ? 那么在試驗室內是如何進行測試和分析控制的呢？下圖展示了一個實驗室的設備的原理參數控制和設備（測試站的設備和控制框架）

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? ? ??針對于以上的四個控制參數，將之演變為商用的系統，就是需要控制我們的進氣系統(氫氣、空氣）、水熱管理系統、控濕系統、（氫氣、空氣）尾排處理控制，下圖為一個典型的燃料電池的系統

來源 | 網絡資源學習

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