氢燃料电池的两个重要特性和燃料电池系统系统集成在干的四个控制参数

   首先对于氢燃料电池系统而言，先认识几个重要的特性参数：

（1）低电压：

   （理想状态下在纯氢和纯氧的情况下，质子交换膜的单片电压E°=1.23V,但是实际的输出E=0.5V-0.7V左右）

（2）高电流：

（怎么理解呢？就是例如我们的电池的操作电流密度：i=1000mA/cm2=1A/cm2,那么对于一个单电池为5cm*5cm，它的电流就等于：I=5cm*5cm*1A/cm2=25A.这只是一个实验室的小的单体电池大小，那么对于我们经常在市面上见到的商用的燃料电池而言，他的面积有可能达到25cm*50cm,那么针对于这款电池而言，这个电池的电流就可以达到：I=25cm*50cm*1A/cm2=750A）

至于为什么会出现这两个特性，我们来看一下质子交换膜燃料电池的电压-电流特性以及功率-电压-电流的特性图 ：

    从电压电流的趋势图可以看出，质子交换膜燃料电池的电压和电流的分布：

1-电压最大的时候，电流最小；

2-电压最小的时候，电流最大；

是不是很有意思，其次从功率P=E*I的关系，不难发现，随着电流的增加功率P存在一个最高点P(max)，随后，马上开始下降，

那么好奇心的驱动下，这个功率的曲线图有什么用呢？（当然有用哈）

分场景考虑一下，在我们车用的电堆系统而言，我们希望的是什么？那就是随着我电流的增加，输出功率是在增加的，所以在我们车（以及类似的应用场景下）的控制要求其电压和电流处于 最高点P(max)后面的三分之二的位置，进行控制策略的施加，因为这样的应用的场景下电压不需要做的很大，根据电池的特性，串联增压和并联增流，不需要将电压串联的很大，而电流的增加可以是增加面积和并联来实现，可以做的系统集成的很小。

另外一个场景下，就是电站的使用，这时候，希望能量转化效率较高，我们不需要太大的电流（就好比我国的高压远距离传输，都是希望电能损耗的越小越好），这个应用场景下，就可以采用离最高点P(max)较远的位置，但这个时候，我们的电堆就做的很大，这就是为什么会有上一篇文章里面展示的撬装式电站那么大了，下图的这个，可以看出真的很大。

   现在再理解为什么车用的具有两个特性（1）低电压（2）高电流了吧。

接下来，重点看看系统集成，集成，都是在干些什么，为什么市面上都是系统集成厂商在竞争，总结了以下四个控制参数：（这里不考虑那些由于反应气带来的杂质以及辅路介质的杂质等的考虑），咱只考虑电池的本身

（1）反应的流速的控制

        正如图中所示，电池分为阳极和阴极，在阳极和阴极分别有氢进氢出，空进空出，想要电池内部的反应充分可靠，首先要保证足够的浓度，所以对于流速的控制是至关重高的

（2）电池的温度的控制

      首先这是一个电化学反应，温度的升高有利于反应的进行，当然也有利于排水，但是随着温度的持续的升高，水排的太多话，就会使得里面的那层绿色的膜（质子交换膜）干掉，因此温度的控制是至关重要的（包括空气进来温度、氢气进来温度、电池本身温度）

（3）气体压力的控制

      对于压力的控制体现在空出和氢出的压力的控制，压力越高，反应气体的成分越多，相比而言就是反应物的活性越高，另外，如果阴阳两极压力的控制不好，很有可能造成中间的膜穿透哦

（4）湿度的控制
对湿度的控制在于空气的湿度和氢气的湿度，都需要进行控制，因为我们中间的那个绿色的膜的离子导电度是依靠中间的膜来实现传输的，当进来的空气和氢气的太干燥时候，本身湿润的膜的水分马上就会被增发掉，这时该膜的离子的传输就会大大的受损(也就是电池离子传输的内阻较大，发热较大），但是如果进来的空气和氢气含水太多的话，还会造成水淹的现象（气体扩散层和流道的水淹使得气体反应物到达反应位点的传输受阻，催化剂的活性面积因水的覆盖而降低，PEMFC的活化损耗和浓差损耗显著增加），那么对于空气，氢气的湿度再加上温度的考虑，因此对于湿度的控制蛮复杂的，也是很重要的。

      那么在试验室内是如何进行测试和分析控制的呢？下图展示了一个实验室的设备的原理参数控制和设备（测试站的设备和控制框架）

      针对于以上的四个控制参数，将之演变为商用的系统，就是需要控制我们的进气系统(氢气、空气）、水热管理系统、控湿系统、（氢气、空气）尾排处理控制，下图为一个典型的燃料电池的系统

来源 | 网络资源学习

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原文始发于微信公众号（产品设计经验心得）：氢燃料电池的两个重要特性和燃料电池系统系统集成在干的四个控制参数