21、燃料电池的性能分析与分布式发电应用

燃料电池的性能分析与分布式发电应用

1. 燃料电池功率与极化曲线

燃料电池的功率（$P_{cell}$）等于电压（$V_{cell}$）与电流（$i_{cell}$）的乘积，即$P_{cell} = V_{cell} \times i_{cell}$。因此，为了提高功率，需要评估限制电压值的参数。然而，根据P - I和V - I极化曲线，我们不能随意增加电流和电压的值。

V - I极化曲线可以帮助我们理解燃料电池的运行和效率相关的许多因素。理想的燃料电池可以在提供任意大电流的同时保持电压恒定，这个电压被称为热力学开路电压。但由于各种限制，实际功率低于理想电压。

以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其i - v和功率密度曲线如图所示。功率密度会先上升到某一点，之后由于电压损失导致电压下降，功率密度也随之下降。当电流增加到一定程度后，继续增加电流会导致功率和电压同时下降，最终导致燃料电池崩溃。因此，燃料电池通常设计在最大功率密度以下运行，避免出现功率和电压崩溃的情况。同时，燃料电池产生的电流与燃料消耗速率成正比，电压降低时功率也会降低，所以保持电压在较高值非常重要，但在实际中由于各种约束和损失，很难同时保持高电压和高电流恒定。

一个理想的燃料电池（如PEMFC）在25°C时可产生约1.23 V的电压，当温度升至80°C时，理想电压会降至1.18 V。实际上，所有类型的燃料电池单节实际电压通常不超过1 V。接下来我们将讨论不同类型的电压损失。

2. 燃料电池的电压损失类型

2.1 电压损失的总体计算

电池电压（$V_{cell}$）由可逆电池电位（$V_{rev}$）减去不可逆电池电压损失（$V