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。
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