上一期講堂中介紹了燃料電池單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理，但是光是一個(gè)單體，并不足以承擔(dān)汽車動(dòng)力源的重任。那該怎么做？單打獨(dú)斗不行那就抱團(tuán)啊。

進(jìn)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(píng)論中提出疑問，共同討論。

King’sKiss：燃料電池車需要充電嗎？

A：燃料電池相對(duì)于鋰電池最大的優(yōu)勢(shì)就在于它不需要充電，它不是儲(chǔ)能裝置，而是發(fā)電裝置，為它補(bǔ)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(dá)到當(dāng)前加油的水平。

老千克星弓長(zhǎng)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(fā)電的根本在于氧化還原反應(yīng)的得失電子過程。但是，不說不如氫氣環(huán)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(shù)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(zhì)的氫氣燃燒會(huì)不會(huì)爆炸？

A：并不會(huì)，燃料電池的發(fā)電過程中發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，是電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化能量，并不是通過燃燒轉(zhuǎn)化能量，有雜質(zhì)可能會(huì)污染催化劑，減少壽命，燃料電池電堆也有一套嚴(yán)格的熱管理系統(tǒng)控制電堆的散熱，在整個(gè)反應(yīng)過程中，氫氣都不會(huì)燃燒也不會(huì)爆炸。需要燃燒氫氣的是氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，寶馬曾經(jīng)研究過，和現(xiàn)在的汽油機(jī)類似，只是燃料從汽油換成了氫氣。

之前介紹了燃料電池在使用時(shí)需要首尾相連，組成電堆，想像一下，這個(gè)場(chǎng)景和使用5號(hào)干電池時(shí)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(hào)干電池的電壓只有1.5V（鎳鉻鎳氫充電電池的標(biāo)稱電壓只有1.2V），一節(jié)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(gè)值更低，一般在0.6-0.8V左右。

理論值根據(jù)能斯特方程計(jì)算，與反應(yīng)溫度和反應(yīng)氣體（氫氣、氧氣）壓力有關(guān)

這么低的電壓很難驅(qū)動(dòng)用電器，我們知道，現(xiàn)在的電動(dòng)車普遍的工作電壓在300-400V左右，很多車企已經(jīng)在研究700V-800V的高壓供電系統(tǒng)。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(shí)現(xiàn)高電壓輸出，必須將幾百片燃料電池的單體串聯(lián)，組合成電堆，才能正常驅(qū)動(dòng)車輛。特斯拉不也是把好多好多18650電池串聯(lián)（提高電壓）再并聯(lián)（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(guān)，只與溫度和進(jìn)氣壓力有關(guān)。

但是，都說了理論值，實(shí)際上我們使用的燃料電池不可能達(dá)到這一電壓，就像普通干電池有內(nèi)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(xué)反應(yīng)中維持反應(yīng)正常進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)電子/質(zhì)子定向運(yùn)動(dòng)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(dāng)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(shí)補(bǔ)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(shí)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(shí)，歐姆極化占主流，此時(shí)燃料電池的i-V曲線基本成一直線，而高電流密度時(shí)，主要的影響因素又變成了濃差極化。可以看到，低電流密度和高電流密度時(shí)，輸出電壓變化較大，且不線性，因此正常使用時(shí)，應(yīng)盡量使用中間線性段。而此時(shí)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(dá)到最大值，之后在高電流密度處呈下降趨勢(shì)。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)出的功率越小，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?yàn)槿剂想姵氐陌l(fā)電特性，氫氣和氧氣在雙極板上發(fā)生反應(yīng)，一個(gè)氫分子可以產(chǎn)生兩個(gè)電子通過外電路，自然，在反應(yīng)物濃度一定（對(duì)于氣體而言就是壓力一定）時(shí)，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(gè)比方，雙極板的面積就好比內(nèi)燃機(jī)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(jìn)氣量。那么自然，氣缸容積大的內(nèi)燃機(jī)在輸出上天生有優(yōu)勢(shì)。但是單純的輸出能不能夠反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)程度高低呢？并不能，一臺(tái)新款的2.0T對(duì)比老舊的V8可能輸出沒那么高，可技術(shù)水平則并不能簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。因此，我們用升功率來評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)，類比功率密度（電流密度×電壓=功率÷反應(yīng)面積）評(píng)價(jià)燃料電池。

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(duì)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(shí)電壓卻在下降，不僅響應(yīng)慢，變化的電壓也影響了整個(gè)電系統(tǒng)的效率。就像一臺(tái)渦輪遲滯非常明顯的早期渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至更差。而且，頻繁的功率變化也會(huì)讓燃料電池的壽命加速衰減。

圖為一臺(tái)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(dá)到額定功率

因?yàn)檫@樣的特性，燃料電池很難像電池或者發(fā)動(dòng)機(jī)那樣作為車輛的單一能量源，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般燃料電池會(huì)與蓄電池或者超級(jí)電容組成電-電混合動(dòng)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(dòng)力需求，而讓燃料電池盡量平穩(wěn)輸出。從這個(gè)角度來看，燃料電池相當(dāng)適合作為增程器來使用。就像現(xiàn)在的增程式電動(dòng)車一樣，只不過把用汽油發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)改成燃料電池發(fā)電。

有了電堆也不是終點(diǎn)，就像發(fā)動(dòng)機(jī)，不可能只有一個(gè)本體，還有燃油供給、空氣供給、冷卻、潤(rùn)滑等等眾多輔助裝置。分別對(duì)應(yīng)了燃料電池的氫氣/空氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)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(tǒng)也被稱為“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”。

燃料電池的優(yōu)勢(shì)在于其在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，能夠達(dá)到高于內(nèi)燃機(jī)的效率，因此，如何利用這一特點(diǎn)，分配燃料電池/蓄電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)之間的功率分配，也既能量管理策略是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。增程式是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的解決方案。上一篇《講堂》中作為引子的愛馳億維RGNathalie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(dòng)車那樣有強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)”裝到車上之后又會(huì)發(fā)生什么。

本文作者為踢車幫陸思灝