甲烷燃料电池碱性电极反应式甲烷燃料电池 _生活百科

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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【讲堂】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更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。

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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。

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☆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

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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。

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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：

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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。