[科普中国]-电池堆组件-

电堆或单电池的组件在长期使用过程中，会出现损耗或功能性退化现象，严重影响发电系统的输出性能和安全可靠性。这种现象的形成有着复杂的内在因素，所造成的输出性能下降形式也难以简单描述。

简介燃料电池发电技术是氢能利用与开发的重要研究方向，在电源研究领域有着良好的应用前景。燃料电池堆是发电系统的核心部分，其输出性能品质直接影响系统能否正常工作，因此，可靠有效的输出性能分析评价方法，是燃料电池理论和应用研究的关键技术之一。经过长期使用，单电池或电堆的部分组件会出现一定程度的损耗和功能性退化。如催化层与扩散电极逐渐剥离、催化剂中毒退化、电化学反应面积减小、质子膜酸化污染、冷却介质杂质污染膜电极等。事实证明，在这种组件退化过程中，由于单电池的电化学反应能力和电子的产生能力衰减，会引起电堆输出性能品质的下降。然而，又由于组件退化是一个较为漫长的过程，在继续使用过程中随时分析评价输出性能，监控下降程度，对防止由于性能下降造成的发电系统故障有着重要意义。此外，通过分别对极化段、欧姆段和浓差段特性的分析评价，也能够为获得操作条件调整原则和研究输出性能控制方法提供理论指导。

近年来，针对电堆输出性能检测分析的研究，主要集中在伏–安(V-I)特性方法和交流阻抗方法2方面。前者通过分析V-I特性曲线变化，研究操作条件对电堆输出性能的影响作用，反映堆内电化学和传质传热过程。后者采用电化学阻抗谱法，根据不同频率范围的电堆交流阻抗变化情况，建立等效电路模型，研究操作条件对质子膜水合状态和质子导通能力的影响规律，分析堆内水热平衡状态。

V-I特性方法直观简便，利用易于获得的过程变量，表现输出性能变化，具有良好的实时性。但是，通过曲线形状或趋势变化分析，只能获得一些定性结论，无法定量描述性能变化程度。交流阻抗方法通过检测膜电极和双极板的欧姆阻抗，组件之间的接触电阻，以及质子导通阻抗，能够清晰地反映堆内电化学、传质传热过程。但是，设备昂贵和检测分析过程复杂是主要不足之处，而且未能进一步涉及性能变化的定量计算和评价等方面。此外，在电堆工作一定周期后，单纯的根据输出电压下降幅度，评价电堆组件退化状态，既没有考虑电流变化因素，也未能分别针对极化段、欧姆段和浓差段给出客观深入的分析结论。因此，无法科学全面的分析评价电堆组件退化对输出性能的影响作用。另外，电堆输出性能与负载特性密切相关，可分为瞬态性能和稳态性能。以电子负载模拟真实负载，利用V-I特性表征电堆输出性能，偏重分析稳定状态下电堆输出性能变化。本论文基于V-I特性法的特征变量易于获得和实时性良好等优点，提出一种基于曲线函数比较的数学方法，分析评价极化段、欧姆段和浓差段的V-I特性变化，进而实现输出性能下降程度的定量计算。1

组件退化对输出性能影响的机制分析从堆内电化学反应机制分析组件退化现象，对电堆输出性能的影响可分为3个方面。

其一是造成电化学反应能力的削弱，如催化剂中毒，电化学反应面积减小等因素是其主要体现。

其二，由于质子膜的污染和酸化等因素，导致质子导通率和水饱和程度能力不足，体现为电子产生能力的下降。

其三，由于催化层与扩散电极逐渐剥离，膜电极污染等因素，引起接触阻抗、欧姆阻抗的变化，体现为电堆或单电池的内阻增大。

此外，上述各种因素在堆内的气体传输和热量传递过程中也产生了不良影响。组件退化现象通过影响堆内过程，直接影响输出性能，并在V-I特性表现形式上得以体现。电化学反应能力的削弱，使V-I曲线中不同特性段的电压均有不同程度下降，尤其在极化段相同电流输出时的电压降更为明显；电子产生能力的下降，表现在浓差段相同电压输出时电流的明显减小；电堆或单电池内阻的增大，能够表现在相同功率输出时，欧姆段特性曲线斜率增大。由此可见，组件退化的加剧程度对输出性能品质影响，可利用数学方法，通过V-I特性曲线形状和趋势的比较，实现性能下降程度的量化计算。1

太阳能组件原理简介太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池（Solar Cell），又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏打效应（Photovoltaic Effect）。当太阳光照射在太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以使用的电能。

在相同的温度下，光照强度对电池板的影响：光照强度越大，太阳能电池板的开路电压和短路电流越大，最大输出功率也越大，同时可以看出开路电压随辐照强度的变化不如短路电流随辐照强度的变化明显。

在相同的光照强度下，温度对电池板的影响：当太阳能电池的温度升高时，其输出开路电压随温度明显减小，短路电流略有升高，总趋势是最大输出功率变小。1

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学