科普 | 燃料電池的效率、功率與溫度有什么關系？

 

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，他能隨意的轉變為其他任何能量，而“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能量的一個重要狀態參量。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、F為法拉第常數）。

 

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。

 

濃差極化主要發生在大電流工作狀態下，此狀態下，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，會造成水淹現象。通過降低功率，降低生成水，可避免這一現象。

 

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生水電解、碳腐蝕等副反應。