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。