电池ocv-燃料电池的效率、功率与温度的关系

生活百科10个月前发布 aixure

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01PART ONE

燃料电池开路电压OCV随温度升高而降低电池ocv，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电池ocv，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）

02PART TWO

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。