FC-03_燃料电池的操作电压

1FC-03燃料電池的操作電壓3-1簡介3-2影響性能的要素3-3燃料電池的不可逆性3-4活化損失3-5燃料穿越及內電流效應3.6歐姆損失3.7質量傳輸及濃度損失效應3.8不可逆性的結合23.1簡介•氫燃料電池開迴路電壓之理論值：FgEf2其中，F為法拉第常數﹔負號代表釋放電壓﹔為每莫耳的Gibbsfreeenergy變化量﹔2為氫燃料電池所放出的電子數。3典型單一燃料電池，操作溫度40℃，壓力在常壓下：4•電壓-電流曲線圖之要點有：1.實際開迴路電壓值小於理論值。2.開始有陡險的壓降。3.電壓降落量緩慢減少，趨近於直線。4.在高電流密度時，會有明顯的落差量。5典型固態氧化物燃料電池，操作溫度約800℃，壓力在常壓下：6•電壓-電流曲線圖之要點有：1.開迴路電壓值略小於或相等於理論值。2.初始壓降非常小且圖形近似於直線。3.在高電流密度時，會有較明顯的落差量。73.2影響性能的要素•探討理想電壓與真實電壓的差異。•可分為以下五點來探討：1.Overvoltageoroverpotential過電位2.Polarisation極化3.Irreversibility不可逆性4.Losses損失5.Voltagedrop壓降83.3燃料電池的不可逆性•燃料電池在不可逆情況下，引起電壓下降四個主要因素：1.活化損失(Activationlosses)2.燃料穿透與內部電流(Fuelcrossoverandinternalcurrent)3.歐姆損失(Ohmiclosses)4.質量傳遞或濃度損失(Masstransportorconcentrationlosses)93.4活化損失3.4.1Tafel方程式活化過電位的表示V=A*log()A是常數，在下一節有介紹；是電流密度；是交換電流密度。0iii0i10由上圖可知道，反應速率愈快，其電流密度愈高。113-4-2Tafel方程式的係數Tafelequation常數A的介紹A=RT/2αfR是氣體常數；T是絕對溫度；α是電荷傳送率；f是法拉第常數。最後的實際電壓V=E-A‧ln()E是可逆的開迴路電壓。0ii12在不同交換電流密度下，電流曲線的分布。13不同電極材料所對應的交換電流密度14活化電壓降可表示為以下形式V=陽極活化過電位+陰極活化過電位=*ln(/)+*ln(/)=A*ln()A=+andb=*aAiai0cAici0biaAcAaAAai0cAAci0153-4-3減少活化損失•提高電池溫度溫度的提高可減少活化能的損失，由前面所描述的活化能公式可知。•使用更有效的催化劑可增加反應速率，減少活化能。•增加電極粗糙度電極粗糙度的增加可增加反應面積。16•增加反應濃度增加反應濃度，可使電池性能上升。(參考第二章式2.9)•增加壓力增加壓力，可使電池性能上升。(參考第二章式2.9)173-4-4活化過電位的說明在低.中溫度的燃料電池，活化能過電位是不可逆過程和引起電壓降的重要因素，主要發生在陰極。可是在高溫、高壓下，活化能過電位變的不那麼重要。V=A*ln()A和b的值決定於電極種類和電池情況bi183-5燃料穿越及內電流效應FuelCrossover：氫燃料經過觸媒層沒有進行反應放出電子，反而藉由擴散效應進入陰極。InternalCurrents：和FuelCrossover實質上是相等的，因為當氫藉擴散進入陽極，它本身的兩個電子就不能提供作為反應，因此將這種現象比喻成電池內有電流的消耗。19上圖表示內電流密度和電池電壓的對應關係20Gasusage(氣體使用)=I(內電流)/2F(moles*)I=Gasusage*2F所以考慮了內電流的效應後，電池的電壓表示如下：實際電壓V=E-A*ln()1s0iiin理想電壓值活化能損失考慮內電流效應21上圖表示的電池性能是考慮了活化能和內電流的損失223.6歐姆損失壓降的大小與電流呈現一簡單的比例關係:V=IR我們使用一個新符號r(areaspecificresistanceorASR)V=ir單位i:r:2.cmmA2.cmk23造成歐姆阻抗的因素1.電極材料所造成的，電極材料的電傳導性不佳。2.電池的結構不夠密實。3.電極過厚。減少電池內電阻之方法1.使用高傳導性電極。2.對雙極板或電池作優良的設計或使用適當的材質。3.交換膜愈薄愈好，可減少氫離子的滯留率。243.7質量傳輸及濃度損失效應]ln[)102(12PP2FRTV由在燃料電池操作過中，極板中氧氣的濃度會隨著電流產生而改變，當氧氣濃度減少時則會影響氧氣的分壓，就會造成所謂的ConcentrationLosses。濃度的改變會對電池的性能造成影響(見2.5節)25densitycurrentlimitingiiiPPll2:]1[1極限電流(Limitingcurrentdensity)的定義：當電池的燃料反應完後，此時電流密度的值]1ln[2liiFRTV26]1ln[lii2FRT-VMasstransportorconcentrationlosses:Voltagedrop:]1ln[liiBEV]1ln[liiBV27比較在不同質傳阻抗的電流密度分布28將所有對性能造成阻抗的因素用方程式表示如下：)1()ln()(0lnnniiiBiiiAriiEV歐姆效應和燃料穿越效應活化過電位效應和燃料穿越效應濃度損失效應和燃料穿越效應3.8不可逆性的結合29高低溫電池的比較