上一期講堂中介紹了燃料電池單體的內部結構與反應原理，但是光是一個單體，並不足以承擔汽車動力源的重任。那該怎麼做？單打獨鬥不行那就抱團啊。

進入主題之前，先來回答上一期燃料電池【講堂】留言中提到的一些問題，也歡迎讀者在評論中提出疑問，共同討論。

King’s Kiss：燃料電池車需要充電嗎？

A：燃料電池相對於鋰電池最大的優勢就在於它不需要充電，它不是儲能裝置，而是發電裝置，為它補充能源和加油一樣，給車上的氫罐加氫即可，燃料再填充的速度可以接近並達到當前加油的水平。

老千剋星弓長老：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，其發電的根本在於氧化還原反應的得失電子過程。但是，不說不如氫氣環保的問題，能採用天然氣、甲烷作為燃料的燃料電池工作條件要求高，目前的技術下並不適合車用。因此，車用燃料電池仍然以氫氣為主流。

你說：有雜質的氫氣燃燒會不會爆炸？

A：並不會，燃料電池的發電過程中發生的是氧化還原反應，是電化學反應轉化能量，並不是通過燃燒轉化能量，有雜質可能會汙染催化劑，減少壽命，燃料電池電堆也有一套嚴格的熱管理系統控制電堆的散熱，在整個反應過程中，氫氣都不會燃燒也不會爆炸。需要燃燒氫氣的是氫氣發動機，寶馬曾經研究過，和現在的汽油機類似，只是燃料從汽油換成了氫氣。

☆堆疊：為了更高的電壓

之前介紹了燃料電池在使用時需要首尾相連，組成電堆，想像一下，這個場景和使用5號乾電池時將其首尾相連獲得1.5V*2=3V電壓的意義完全相同。就像5號乾電池的電壓只有1.5V（鎳鉻鎳氫充電電池的標稱電壓只有1.2V），一節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，這個值更低，一般在0.6-0.8V左右。

理論值根據能斯特方程計算，與反應溫度和反應氣體（氫氣、氧氣）壓力有關

這麼低的電壓很難驅動用電器，我們知道，現在的電動車普遍的工作電壓在300-400V左右，很多車企已經在研究700V-800V的高壓供電系統。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，為了實現高電壓輸出，必須將幾百片燃料電池的單體串聯，組合成電堆，才能正常驅動車輛。特斯拉不也是把好多好多18650電池串聯（提高電壓）再並聯（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，只與溫度和進氣壓力有關。

但是，都說了理論值，實際上我們使用的燃料電池不可能達到這一電壓，就像普通乾電池有內阻一樣，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反應中維持反應正常進行，驅動電子/質子定向運動而消耗的能量，它的大小與電流相關，電流越大，活化損失越大。歐姆極化則相當於燃料電池的內阻，同樣與電流成正相關。濃差極化主要發生在大電流工作狀態下，此狀態下，電化學反應速度極快，電極處反應物迅速消耗，氫氣氧氣得不到及時補充，壓力下降，即反應物出現濃度差，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÷反應面積）相關，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，歐姆極化佔主流，此時燃料電池的i-V曲線基本成一直線，而高電流密度時，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，輸出電壓變化較大，且不線性，因此正常使用時，應儘量使用中間線性段。而此時的燃料電池電壓為多少呢？0.6-0.8V左右。

由於這樣的特性，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到最大值，之後在高電流密度處呈下降趨勢。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÷反應面積很容易理解，因為燃料電池的發電特性，氫氣和氧氣在雙極板上發生反應，一個氫分子可以產生兩個電子通過外電路，自然，在反應物濃度一定（對於氣體而言就是壓力一定）時，雙極板面積越大，就有越多的氫氣和氧氣參與反應。也就是說，燃料電池能夠輸出多大的電流，不僅僅和反應氣的壓力有關，與其尺寸同樣相關。

打個比方，雙極板的面積就好比內燃機的氣缸容積，而反應氣的濃度則可以類比看成噴油量和進氣量。那麼自然，氣缸容積大的內燃機在輸出上天生有優勢。但是單純的輸出能不能夠反應發動機的技術程度高低呢？並不能，一臺新款的2.0T對比老舊的V8可能輸出沒那麼高，可技術水平則並不能簡單的評價。因此，我們用升功率來評價內燃機，類比功率密度（電流密度×電壓=功率÷反應面積）評價燃料電池。

☆關鍵缺陷：慢

經過之前的分析，我們可以看到，燃料電池的輸出受限於眾多內在因素，體現在宏觀外在的表現就是，燃料電池的輸出特性很軟，它無法應對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，同時電壓卻在下降，不僅響應慢，變化的電壓也影響了整個電系統的效率。就像一臺渦輪遲滯非常明顯的早期渦輪增壓發動機，甚至更差。而且，頻繁的功率變化也會讓燃料電池的壽命加速衰減。

圖為一臺額定功率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燃料電池才能達到額定功率

因為這樣的特性，燃料電池很難像電池或者發動機那樣作為車輛的單一能量源，在實際設計中，一般燃料電池會與蓄電池或者超級電容組成電-電混合動力系統。依靠輸出更穩定，響應更快的蓄電池來滿足高頻的動力需求，而讓燃料電池儘量平穩輸出。從這個角度來看，燃料電池相當適合作為增程器來使用。就像現在的增程式電動車一樣，只不過把用汽油發電的發動機改成燃料電池發電。

有了電堆也不是終點，就像發動機，不可能只有一個本體，還有燃油供給、空氣供給、冷卻、潤滑等等眾多輔助裝置。分別對應了燃料電池的氫氣/空氣供應系統、熱管理系統、水管理系統等。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也被稱為“燃料電池發動機”。

燃料電池的優勢在於其在穩定工作狀態時，能夠達到高於內燃機的效率，因此，如何利用這一特點，分配燃料電池/蓄電池組成的混合動力系統之間的功率分配，也既能量管理策略是當前的研究重點。增程式是一個較為簡單的解決方案。上一篇《講堂》中作為引子的愛馳億維RG Nathalie概念車便採用了這種方案。那麼除了增程式，燃料電池汽車是否能夠像油電混動車那樣有強混、弱混、或者插電什麼的其他方案嗎？下一期講堂就討論“燃料電池發動機”裝到車上之後又會發生什麼。

本文作者為踢車幫 陸思灝