首页/文章/ 详情

氢燃料单节电池理论开路电压为什么只有1.2V？

1月前浏览903

点击查看图片来源

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 - TΔS

ΔG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

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

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：2024-12-10