氢燃料电池能量密度表征论述~助您货比三家，找出最佳

开篇简单科普一些氢燃料电池能量密度相关的表征单位和含义，讲到能量密度我们必须先认识一个燃料电池里面非常重要的一个IV曲线。如下所示：

如曲线所示，横坐标是电流密度（A/ c㎡），纵坐标是电压（V）。众所周知功率P=U*I（电压乘以电流），图中虚线曲线就是功率P的表征（W/ c㎡）。

所以我们就先引入第一个概念，电流密度（A/ c㎡）。

说明：IV曲线信息

1）在电流密度为零时电压最大（也就是所谓的开路电压），但也低于理论值1.229V（对应水平虚线位置），差值部分通常称之为开路损失。

2）随着输出电流的增加，电压在降低。是一个动态的过程。

3）电流与电压的乘积就是输出功率。也是随输出电流变化的一个过程。

4）单位面积功率密度随着电流密度增加而增加，直到达到峰值后开始较快速的下降（斜率）。

5）一般都在基于0.5~0.65V的电压区间来看电流密度。多数企业是在0.6V或者0.65V的电压下看电流密度来表征其性能。（当然能主动控制的是电流输出，反过来再看对应的电压值）

6）一般在绘制IV曲线时，国标定义在电压低于0.2V时终止测试。

7）单位面积电流密度乘以电化学区域表面积再乘以对应电压可以得出单片的电池的功率。

8）随着多片单电池串联叠加就形成了一个“体积”的概念。也就有了后面的单位体积功率。

一、基于单体的电流密度（A/ c㎡）和单位面积功率密度（W/ c㎡）

定义：电流密度矢量是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量。其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。因为导线中不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同，为了描写每点的电流情况，有必要引入一个矢量场——电流密度J，即面电流密度。每点的J的方向定义为该点的正电荷运动方向，J的大小则定义为过点并与J垂直的单位面积上的电流·。单位一般用A/ c㎡或者A/ ㎡来表示。

燃料电池的电流密度也是这么一个概念。充当电极的GDL（包含和流场板以及催化层的接触面）也是个导体的概念。电流密度是个非常直观的表征参数，因为其已经是单位面积上的电流了，本质上和电堆或者单体电池的大小无关，基于此对应到IV曲线上的功率密度（电压乘以电流）既可以对不同厂家的电堆基础性能做显而易见的对比，也是设计电堆输出功率和体积或者电化学反应场所表面积的基本依据。用电化学场所的表面积乘以电流密度再乘以该电流密度下对应的电压就可得到单体电池的功率输出（当然也是一个随电流密度变化的曲线）

所以，这里已经阐述了两个最基础的能量密度的表征参数：电流密度（A/ c㎡）和单位面积功率密度（W/ c㎡）。这两个表征参数的意义和功能相信大家也有了基本了解。目前基于@0.6~0.65V的电压值，这个电流密度约在1.2~1.6A/ c㎡之间。

二、基于裸堆的体积功率密度（KW/L）

燃料电池堆体积测量示意图

单体电池经过多片串联叠加，再加上额外必要的辅材组装成立一个完整的氢燃料电池电堆，我们一般也俗称为裸堆，基于此也有了体积（L升）的表征。我想更多是基于裸堆的相对外形较规则，所以包括标准和业内统称，更多使用体积功率密度（KW/L）来表征裸堆的能量密度。这部分在最近工信部公布的《燃料电池汽车测试》试行版第4章节里面中有明确的定义（针对边界和量测方式都有明确）。

体积功率密度计算公式

说明：1）根据 GB/T 24554-2009 第 8.3 章节的规定计算电堆的功率 Pstack。

2）目前国内外企业标称这个值区间在3.0~4.8KW/L之间（包含金属板和石墨板；丰田的5.4KW/L是去除端板数据）

 3）在7月15日天津大学与今日Nature、上海捷氢科技再谈燃料电池未来的会议上，提出功率密度从4KW/L提升到6KW/L的短期目标，以及再次提升到9KW/L的长期目标。

三、基于系统的质量功率密度（W/Kg)

同样对于一个电堆最终能得以应用需要集成成一个完整的系统才有意义，但是对于一个能发电的系统来说需要有更多的辅助系统（空压机、增湿系统、氢气循环系统、水泵、控制系统等等），也导致燃料电池系统比较难是一个规则的外形（异性结构），另用质量比功率密度的表征对整车更有意义，基于此国标和业内对于系统的能量密度采用了质量功率密度（W/Kg)的方式进行了表征。同样在工信部公布的《燃料电池汽车测试》试行版第3章节里面中有明确的定义。

质量功率密度

说明：1）以燃料电池系统输出的 60min 平均功率作为燃料电池系统的额定功率 Pfce。（没找到下标偷个懒）

2）由于系统集成功率跨度比较大，有些附件外形和重量随系统功率变化不明显，所以导致该数值范围也比较大。目前基本在（300~700）W/Kg之间。

3）为了更方便的多电堆组合（串联或者并联）满足更多的使用场景，有一种介于裸堆和系统中间态的叫做模块儿的东西出现了。模块儿相对外形也比较规则，也集成了一些完整系统需要的部分附件。所以对其能量密度的表征就比较尴尬了。这类产品在国标里面也未给其明确定义，当然还是可以基于其使用的裸堆进行表征。

结语：

1. 基于以上梳理，大家应该对整个氢燃料电池在不同状态下的能量密度表征方式有个基本的概念了。
2. 尽管在工信部公布的《燃料电池汽车测试》试行版第3章节里面对Pfce有明确的定义：在以燃料电池系统输出的 60min 平均功率作为燃料电池系统的额定功率 Pfce，本可以理解为是扣除附件的内耗的寄生功率后的净输出功率。我还是非常在意这个寄生功率的百分之占比。在下次修正规范时是否有必要单独提列该项指标以进一步促使集成能力和附件的性能提升。
3. 当然能量密度指标是重要性能表征参数，但不是选型唯一指标，寿命、冷启动等性能、IP等级、电流输出等等综合起来才是选型依据。

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原文始发于微信公众号（氢眼所见）：氢燃料电池能量密度表征论述~助您货比三家，找出最佳