科普 | 燃料电池的效率、功率与温度有什么关系？

 

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燃料电池开路电压OCV随温度升高而降低，那么效率随温度升高而降低？这个效率是什么效率？

 

费曼在《物理学讲义》中写道“我们应该认识到在今天的物理学中，我们还不理解什么是能量——这一点非常重要”。

 

能量是什么？热力学第一定律告诉我们，能量既不能制造也不能湮灭，他跑来跑去，他就在那里。在他跑来跑去的过程中，我们总结出两个好用的概念来描述能量，那就是“热量”和“功”。

 

进一步的，我们认为“功”是一种高等级的能量，他能随意的转变为其他任何能量，而“热量”则是最低等级的能量，其他能量转化为热量很容易。这就是热力学第二定律，熵增定律。

 

焓，热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参量。吉布斯自由能，可以自由转化的那部分能量。

 

在室温常压下，氢氧燃料电池：

 

△G=-237.3kJ/mol;

 

△H=-286kJ/mol；

 

H=G+TS （热力学第二定律：熵S）

 

单堆开路电压公式：

 

E=△G/nF=1.25V （E为开路电压，n为电子数、F为法拉第常数）。

 

可逆高热值效率：e=△G/△H=83%

 

从这个角度，温度越高，开路电压越低。（对热量来说，温度越高，热量品级越高。更高温度的反应生成水，代表了排出更高品级的热量）温度越高，可逆热效率越低。（谈到效率，必然有能量损耗，此处的能量损失指的是熵）

 

 

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燃料电池在工作时，温度越高，反应越快越容易，效率越高？这个效率是什么效率？

 

燃料电池工作时存在着损耗，有三种：活化损失、欧姆损失和浓差损失，也可以被称为活化极化（过电压）、欧姆极化（过电压）和浓差极化（过电压）。

 

活化极化是指在电化学反应中维持反应正常进行，驱动电子/质子定向运动而消耗的能量，必须克服此能量壁垒。提高温度有助于降低此壁垒。

 

欧姆极化则相当于燃料电池的内阻，同样与电流成正相关。主要取决于电解质材料离子电导率。和温度关系不大。

 

浓差极化主要发生在大电流工作状态下，此状态下，电化学反应速度极快，电极处反应物迅速消耗，氢气氧气得不到及时补充，压力下降，即反应物出现浓度差，因此被称为浓差损失。

 

这三种损失均可以通过电压降的形式表示，实际燃料电池的工作电压为：燃料电池的三种损失都与电流密度（电流÷反应面积）相关，在低电流密度阶段活化极化是主要影响因素，中电流密度时，欧姆极化占主流，此时燃料电池的i-V曲线基本成一直线，而高电流密度时，主要的影响因素又变成了浓差极化。可以看到，低电流密度和高电流密度时，输出电压变化较大，且不线性，因此正常使用时，应尽量使用中间线性段。

 

而此时的燃料电池电压为多少呢？0.6-0.8V左右。

 

此时燃料电池工作效率：e=0.6V/1.25V=48% （默认电流密度不变）

 

可以看出燃料电池效率和工作温度，温度越高，效率越高，主要影响因素是活化电压影响。

 

 

03

 

燃料电池温度高时，功率越大吗？功率密度越大吗？

 

由上可知，在高温时，工作电压会稍高一些。在电流不变情况下，温度越高，功率越高。

 

同时，功率：P=I*V，下图可见，功率随电流密度增加先升高，存在一个顶点，然后降低。而燃料电池的电流和消耗燃料的量程正比，每摩尔燃料提供n摩尔电子。除了三个极化损失，功率主要与燃料反应速率有关。

 

功率密度是指燃料电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积（或面积），单位是瓦/公斤或瓦/升。功率密度主要与双极板体积及重量有关。

 

 

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燃料电池温度低时，为什么最大功率被限制？

 

在温度较低时， 活化电压较高，导致输出电压较低，相同电流下，功率降低。在温度较低时，排气带出的水变少，会造成水淹现象。通过降低功率，降低生成水，可避免这一现象。

 

在低温时，不能直接加大负载，是因为燃料电池反应速率慢，能够发出的电少，突然强制增加负载，燃料电池在无法满足负载的情况下会依次发生水电解、碳腐蚀等副反应。