首页/文章/ 详情

我所理解的氢燃料电池(第三章:极化-下)

6天前浏览8

3-7-5 极化曲线  

通过对以上极化曲线的认识,可以看出活化极化的损耗是任何电流密度下的最大损耗,另外通过动力学过程可得,活化极化和传质极化相当于串联,所以二者的总损失就是二者相加。

同时,阳极和阴极都可以发生活化极化和传质极化,再加上欧姆极化的损失,因此氢燃料电池的电压为

Vcell = Er - (△Vact + △Vcont)a - (△Vact  + △Vact)c - △Vohm (3-34)  

理论上,还需要考虑氢滲透和内部电流的损耗,但是随着电流的产生,电极表面的氢浓度会随着下降,从而减小氢滲透的驱动力,另外氢滲透和内部电流之和相比产生的电流要小几个数量级,所以氢燃料电池的电压未包含氢滲透和内部电流的损耗。  

把上文所推算的活化极化和传质极化下的损失电压计算公式带入方程式(3-34)可得,

 (3-35)

前文也提到过,氢燃料电池的阳极极化相对阴极极化来说,可忽略不计,极化曲线可近似为:

(3-36)

从方程式(3-36)可得,活化曲线其实是一条电压与电流的关系函数曲线,也称为I-V曲线,即伏安曲线。  

结合各个极化曲线,即可得氢燃料电池的极化曲线图,如图3-8所示。

图3-8 氢燃料电池的极化曲线  

通过极化曲线可以直观的看出,在电流小的时候,活化极化对压损起主导作用,然后逐渐减弱到被欧姆极化取代,当电流大到一定的时候,浓差极化对压损就起主导作用了。因为从上文对各个极化的描述可知,活化极化下的压损变化率(曲线斜率)是先大后小,欧姆极化下的压损变化率是不变的,浓差极化下的压损变化率是先小后大,所以极化曲线会表现出如图3-8所示。  

在氢燃料电池的动力学过程中,传质步骤和电荷转移步骤可以同时为速度控制步骤,即混合控制。那问题来了,什么条件下是混合控制。

从活化极化定义及曲线可知,活化极化从电流一产生就开始发生,然后其影响随着电流的增大而减小,浓差极化是随着电流增大才会凸显出来,可以简单理解电流小的时候,只有活化极化,当电流增大的时候,就会同时出现活化极化和浓差极化,从定义上理解,可以说电流大的情况下,是混合控制。

但我理解这不是真正的混合控制,毕竟电流大的时候,活化极化对压损的影响已经很小了,只是形式上有影响,主要还是浓差极化影响的多。

那么怎么才会发生活化极化和浓差极化共同对压损起主导作用呢?从极化曲线可以看出,想要实现混合控制,浓差极化曲线斜率大的部分要向电流小的方向移动,即朝着活化极化曲线斜率大的部分移动,只要双方斜率大的部分重合,就是实现了混合控制,本质上就是在电流小的时候,就要发生浓差极化。

从方程式(3-33)可知,想要在低电流下发生较大浓差极化下的压损,就要降低极限电流iL,又根据方程式(3-32)可知,要降低极限电流iL,就要降低反应物总浓度CB。这里降低反应物总浓度可分为两方面:一方面反应气的供应减少了,另一方面反应气的供应途径受阻,如气体扩散层的孔道小、疏水性差等都会造成气体受阻。  

持续更新中......

来源:闲村野夫
ACT燃料电池理论控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-12-12
最近编辑:6天前
闲村野夫
硕士 | 研发工程师 因为懂得,所以慈悲。
获赞 9粉丝 0文章 32课程 0
点赞
收藏
作者推荐

氢燃料单节电池理论开路电压为什么只有1.2V?

氢燃料电池虽说是电池,但与我们平时理解的电池还是有区别的。‍这就是为什么我从锂电池转到燃料电池之后,在某些方面还是需要深度学习的。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍以后的内容大多都会是我的学习记录,内容上不会很系统。‍‍今天主要来谈谈燃料电池的开路电压。在谈开路电压之前,我们需要了解吉布斯自由能。吉布斯自由能,其定义为“恒压力和恒定温度下,在可逆过程中释放或吸收的能量。”可以理解为化学反应所需要的最小热力学功(在恒定压力下),如果为负,则是该反应可以释放的最大能量。因此,吉布斯自由能是可用于确定反应在热力学上是否可行的量。同时就孕育出了“吉布斯方程”:ΔG=ΔH-TΔSΔG表示化学反应中的自由能变化,即反应物和产物的吉布斯自由能之差ΔH表示焓的变化ΔS表示反应物和产物之间熵的变化,T表示绝对温度‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍从吉布斯自由能的定义可知,压力和温度是两个影响参数,另外从热力学函数性质上可知,焓和熵的绝对值是未知的,只能确定其由温度和压力等参数引起的变化。因此,需要定义反应的基线,即温度和压力的标准条件。国际上有2个标准:1.标准温度和压力,缩写为“STP”,规定了温度为273.15K,绝对压力为100kPa;2.标准环境温度和压力,缩写为“SATP”,规定了温度为298.15K,绝对压力为100kPa。在燃料电池中,吉布斯自由能的变化ΔG产生了电池的电能。H₂+1/2O₂=H₂O为了理解方便,这里数量均以“1mol”的形式来考虑‍ΔG=G(产物)-G(反应物)=GH₂O-GH₂-GO₂因为温度和压力的存在,吉布斯自由能不是恒定的,而是随着温度状态而变化的。如下表产物水的状态温度/℃ΔG/(kJ/mol)‍‍‍液体25-237.2液体80-228.2气体80-226.1气体100-225.2气体200-220.4气体400-210.3气体600-199.6气体800-188.6气体1000-177.4由氢燃料电池的原理可知,氢气会产生电子。因此每消耗掉1molH₂会有2NA个电子绕过外电路,那么1molH₂产生的电荷数位2NAe-。法拉第常数F=NAe-=96485C燃料电池电路中移动电荷所做的电功为:移动的电荷量X电压这里的电功就是之前说的吉布斯自由能V=-ΔG/2F‍标准条件下,在25℃时吉布斯自由能为-237.2kJ/mol,则电压为1.229V。‍‍注:该值假定了“不可逆性”,并且在标准压力下使用纯氢气和氧气。‍‍‍‍实际中,燃料电池的电压远远达不到1.2V,会有各种损耗。关于损耗,下回分享。‍来源:闲村野夫

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈