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科普 | 燃料電池的效率、功率與溫度有什么關系?

2023-06-16 來源:云雄能源 瀏覽數(shù):1638

豐田的氫燃料電池工作溫度為90℃,我們一般理解工作溫度極限是100℃,但是豐田又在搞120℃?針對這個問題,本文從以下四個方面對燃料電池效率、功率與溫度之間的關系進行了分析。

 豐田的氫燃料電池工作溫度為90℃,我們一般理解工作溫度極限是100℃,但是豐田又在搞120℃?針對這個問題,本文從以下四個方面對燃料電池效率、功率與溫度之間的關系進行了分析。
 
01
 
燃料電池開路電壓OCV隨溫度升高而降低,那么效率隨溫度升高而降低?這個效率是什么效率?
 
費曼在《物理學講義》中寫道“我們應該認識到在今天的物理學中,我們還不理解什么是能量——這一點非常重要”。
 
能量是什么?熱力學第一定律告訴我們,能量既不能制造也不能湮滅,他跑來跑去,他就在那里。在他跑來跑去的過程中,我們總結出兩個好用的概念來描述能量,那就是“熱量”和“功”。
 
進一步的,我們認為“功”是一種高等級的能量,他能隨意的轉變?yōu)槠渌魏文芰浚?ldquo;熱量”則是最低等級的能量,其他能量轉化為熱量很容易。這就是熱力學第二定律,熵增定律。
 
焓,熱力學中表征物質系統(tǒng)能量的一個重要狀態(tài)參量。吉布斯自由能,可以自由轉化的那部分能量。
 
在室溫常壓下,氫氧燃料電池:
 
△G=-237.3kJ/mol;
 
△H=-286kJ/mol;
 
H=G+TS (熱力學第二定律:熵S)
 
單堆開路電壓公式:
 
E=△G/nF=1.25V (E為開路電壓,n為電子數(shù)、F為法拉第常數(shù))。
 
可逆高熱值效率:e=△G/△H=83%
 
從這個角度,溫度越高,開路電壓越低。(對熱量來說,溫度越高,熱量品級越高。更高溫度的反應生成水,代表了排出更高品級的熱量)溫度越高,可逆熱效率越低。(談到效率,必然有能量損耗,此處的能量損失指的是熵)
 
 
02
 
燃料電池在工作時,溫度越高,反應越快越容易,效率越高?這個效率是什么效率?
 
燃料電池工作時存在著損耗,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,必須克服此能量壁壘。提高溫度有助于降低此壁壘。
 
歐姆極化則相當于燃料電池的內阻,同樣與電流成正相關。主要取決于電解質材料離子電導率。和溫度關系不大。
 
濃差極化主要發(fā)生在大電流工作狀態(tài)下,此狀態(tài)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(xiàn)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,歐姆極化占主流,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,應盡量使用中間線性段。
 
而此時的燃料電池電壓為多少呢?0.6-0.8V左右。
 
此時燃料電池工作效率:e=0.6V/1.25V=48% (默認電流密度不變)
 
可以看出燃料電池效率和工作溫度,溫度越高,效率越高,主要影響因素是活化電壓影響。
 
 
03
 
燃料電池溫度高時,功率越大嗎?功率密度越大嗎?
 
由上可知,在高溫時,工作電壓會稍高一些。在電流不變情況下,溫度越高,功率越高。
 
同時,功率:P=I*V,下圖可見,功率隨電流密度增加先升高,存在一個頂點,然后降低。而燃料電池的電流和消耗燃料的量程正比,每摩爾燃料提供n摩爾電子。除了三個極化損失,功率主要與燃料反應速率有關。
 
功率密度是指燃料電池能輸出最大的功率除以整個燃料電池系統(tǒng)的重量或體積(或面積),單位是瓦/公斤或瓦/升。功率密度主要與雙極板體積及重量有關。
 
 
04
 
燃料電池溫度低時,為什么最大功率被限制?
 
在溫度較低時, 活化電壓較高,導致輸出電壓較低,相同電流下,功率降低。在溫度較低時,排氣帶出的水變少,會造成水淹現(xiàn)象。通過降低功率,降低生成水,可避免這一現(xiàn)象。
 
在低溫時,不能直接加大負載,是因為燃料電池反應速率慢,能夠發(fā)出的電少,突然強制增加負載,燃料電池在無法滿足負載的情況下會依次發(fā)生水電解、碳腐蝕等副反應。
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