4.3.3 氢燃料电池主要性能
4.3.3.1 氢燃料电池的主要性能参数
（1）电流密度：是指单位电极面积上的电流强度，单位是mA／cm2。
（2）功率密度：是指燃料电池可输出的最大功率除以整个燃料电池系统的质量或体积，单位是W／kg或W／L。
（3）效率：是指燃料电池将氢转化的电能与原料氢所含的化学能的比。目前，质子交换膜燃料电池的转化效率在50％～60％之间。
（4）寿命：通常是指电池工作的累积时间（小时），一般为3000～5000 h。
图4-9所示为上海攀业公司的EOS-1000氢燃料电池，其额定功率为1000 W，利用空气作为氧化剂和冷却介质，通过调节风扇转速对燃料电池系统进行冷却，具体参数见表4-3。
图4-9 EOS-1000氢燃料电池
表4-3 EOS-1000氢燃料电池主要性能参数
注：带*的数据是在15～30℃的环境温度范围和30％～90％的环境湿度范围内取得的。
4.3.3.2 影响氢燃料电池性能的主要因素
氢燃料电池发电系统是一个较为复杂的非线性电化学反应系统，其输出性能受诸多因素交叉影响，如燃料电池工作温度、反应气体流量和供气压力等，在发电过程中需要对燃料电池的操作条件进行管理，否则会引起燃料电池性能的急速下降。为了确保燃料电池相对稳定的运行状态，保持燃料电池高性能输出，延长燃料电池使用寿命，必须对燃料电池的热量、气体流量及电特性等管理单元的特点有充足的了解。
1.活化对电池性能的影响
燃料电池堆在放置时间较长时需要进行活化，才能达到最佳性能状态。活化通常包括以下过程：质子交换膜的加湿过程；物质（包含电子、质子、气体、水）传输通道的建立过程；电极结构的优化过程；提高催化层的活性和利用率过程。空冷自增湿质子交换膜燃料电池没有额外的增湿附件，仅采用反应产生的水进行增湿。长期暴露在干燥的空气中存放，易导致质子交换膜失水变干，从而使电导率降低、膜电极组件中的催化剂活性降低，进而导致燃料电池堆性能下降。因此，质子交换膜燃料电池放置时间较长时（3天以上），正常运行之前都需要进行活化。尤其是启用长期存储状态的燃料电池，活化对其性能有重要影响，且需要进行多次活化。
2.温度对电池性能的影响
质子交换膜燃料电池在发电过程中大约有40％～50％的能量以热能方式耗散，它们主要来自电池电化学反应产生的反应热、欧姆极化产生的焦耳热、反应气体经加湿后带入堆内的热量和电堆自身从周围环境吸收的辐射热量。其中，质子交换膜燃料电池不可逆的电化学反应所产生的废热比例高达40％～60％，因此有必要对发电运行过程中的热量管理给予更多的关注。
质子交换膜燃料电池在工作时应使电堆温度保持在适当的范围内，以便电化学反应维持在最佳反应状态且保证电池组件材料完整性不被破坏。不均匀的堆温分布可能会引起电化学反应速率的变化并导致反应气体中水的蒸发或冷凝。若产热过少，电堆温度过低，电化学反应速率会减慢，电池整体性能变差，在适当的高温条件下，电化学反应加快，质子交换膜燃料电池系统性能更优。但若产热过多，导致质子交换膜表面局部温度过高，则膜会发生脱水，收缩、皱折或破裂等现象。由于干膜的欧姆电阻较高，电堆输出电压会变低。此外，受损的膜可能导致输出电压降至适当范围以下，使电极溢流并引起质子交换膜燃料电池性能和效率的下降。因此，必须更有效和高效地管理产生的热量，以保持整个电堆温度分布均匀，保证电堆和电解质膜湿度的平衡性，避免影响电堆性能和电池各部件的安全运行，同时也可起到降低燃料消耗，延长电池使用寿命的作用。
3.气体流量对电池性能的影响
在质子交换膜燃料电池反应子系统中，作为反应物的氢气和空气以一定的化学计量比进入电堆，而后到达质子交换膜，反应产生电能和水。一方面，使用燃料处理器（通常是天然气或甲醇蒸汽重整器）在质子交换膜燃料电池电堆阳极处供应氢气，或者直接由加压氢气罐产生氢气；另一方面，使用鼓风机或压缩空气罐在质子交换膜燃料电池电堆阴极处供应空气。气体流量的大小对于质子交换膜燃料电池的输出功率有比较大的影响。一般情况下，氢气和空气以规定量和固定的化学计量比供应，产生的能力足够质子交换膜燃料电池系统以额定功率运行。
4.电特性对电池性能的影响
质子交换膜燃料电池的输出特点主要是低电压、大电流，它在工作状态下的电流密度最高可达到1.5 A／cm2，而且对于输出功率相同的电池组，可以通过增大片电极工作面积来减少电堆单电池个数，从而方便燃料气体在电堆内的分配，提高电堆片电压的均匀度。
质子交换膜燃料电池的动态内阻通常为毫欧姆（mΩ）级。实验表明，当燃料电池输出功率达到峰值时，其输出电压仅约为开路电压的一半。而且在燃料电池正常发电工作情况下，输出电压随负载电流的增加而减小，压降幅度也越来越小。
燃料电池对功率脉冲适应能力弱、负载跟踪性能较差。造成这一现象的一部分原因是电池内阻相对较大，另一部分原因则是电极动力学反应缓慢、电堆内部气体压力和水合状态不正常。电极动力学反应缓慢是指由于堆内温度变化或气体供应不足导致电化学反应活性降低，生成电子能力减弱，无法迅速改变电力输出来应对负载变化。电堆内部气体压力不正常主要是指当负载电流较大时，气体供应失衡，无法实时满足负载功率的需求。水合状态不佳分为电极淹没和膜失水两种。电极淹没主要是因为堆内电化学反应剧烈，生成大量水却未及时排出造成的，电极淹没会阻碍反应气体的扩散，导致反应不充分；膜失水一般是在高温状态下，电解质膜失水变干，传质能力减弱，从而对瞬态负载变化响应变慢。
5.发电效率对电池性能的影响
质子交换膜燃料电池发电系统效率是指燃料存储的化学能转化为电能的效率，是除电堆输出电压之外反映燃料电池输出性能的另一重要指标。质子交换膜燃料电池存在一个独特的工作点，称为最大效率点，燃料电池系统在该操作点达到最高效率。此外，改变操作点将改变燃料电池堆产生的功率以及辅助系统消耗的寄生功率，进而导致系统整体效率的改变。因此，找到燃料电池工作的最大效率点并进行跟踪，对提高燃料电池乃至整个动力系统的性能都是十分必要的。
4.3.3.3 氢燃料电池的典型特性曲线
1.燃料电池特性曲线
氢燃料电池在放电过程中，它的工作电压会随着工作电流等条件影响而发生变化。以电池的工作电流作为横坐标、工作电压作为纵坐标，绘制而成的曲线称为伏安特性曲线，如图4-10（a）所示；以电池的工作电流为横坐标、输出功率为纵坐标，绘制而成的曲线称为功率特性曲线，如图4-10（b）所示。
图4-10 燃料电池特性
（a）伏安特性曲线；（b）功率特性曲线
可以看出，燃料电池电压随着电流的增大而不断减小，因此为了其能与锂电池匹配输出，需要DC／DC稳定燃料电池的输出电压，同时可以对燃料电池的输出电流进行限制，以达到控制燃料电池功率的目的。
2.特性曲线包含的信息及处理方法
特性测试时记录的主要数据就是电流和电压的时间演变，从这些基础数据可以获取很多参数，以下详细介绍放电曲线包含的信息与处理方法。
（1）燃料电池功率。放电曲线中，燃料电池功率的计算式如下：
（2）燃料电池堆效率。燃料电池堆效率是将氢气的化学能转化为电能的效率，也是燃料电池重要的性能指标。其计算公式如下：
式中，I——燃料电池堆电流；
V——燃料电池堆电压；
mH——氢气的质量；
LHV——氢气低位热值，即130 MJ／kg。
图4-11所示为燃料电池堆效率随功率变化的曲线。从图中可以看出，当燃料电池堆的输出功率较低时，燃料电池的效率随功率近似呈指数增加，当输出功率在某一个区间内时，效率达到最高，且维持较宽的功率范围，该范围即为燃料电池的最佳工作区间。
图4-11 燃料电池堆效率随功率变化的曲线