Chapter 3 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

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1 Chapter 3 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
3-1 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 歐姆損失 質量傳輸及濃度損失效應 不可逆性的結合 電雙層 3.10 區別不同的可逆性

2 3.1 簡介 氫燃料電池開迴路電壓之理論值： 其中，F為法拉第常數﹔ 負號代表釋放電壓﹔
為每莫耳的Gibbs free energy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。

7 3.2 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. Overvoltage or overpotential 過電位 2. Polarisation 極化 3. Irreversibility 不可逆性 4. Losses 損失 5. Voltage drop 壓降

8 3.3 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(Activation losses)
2.燃料穿透與內部電流(Fuel crossover and internal current) 3.歐姆損失(Ohmic losses) 4.質量傳遞或濃度損失(Mass transport or concentration losses)

9 3.4 活化損失 3.4.1 Tafel方程式 活化過電位的表示 V=A*log( )

10 由上圖可知道，反應速率愈快，其電流密度愈高。

11 3-4-2 Tafel 方程式的係數 Tafel equation 常數A的介紹 A=RT/2αf
最後的實際電壓 V= E-A‧ln( ) E是可逆的開迴路電壓。

12 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= and b= *

15 3-4-3 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)

17 3-4-4 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

18 3-5 燃料穿越及內電流效應 Fuel Crossover ：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。
Internal Currents：和Fuel Crossover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

20 Gas usage(氣體使用)=I(內電流)/2F (moles* )
I= Gas usage*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( ) 考慮內電流效應 理想電壓值 活化能損失

21 上圖表示的電池性能是考慮了活化能和內電流的損失

22 3.6 歐姆損失 壓降的大小與電流呈現一簡單的比例關係: V = I R
我們使用一個新符號 r (area specific resistance or ASR) V = i r 單位 i : r :

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 。

24 濃度的改變會對電池的性能造成影響(見2.5節)
3.7 質量傳輸及濃度損失效應 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Concentration Losses。 濃度的改變會對電池的性能造成影響(見2.5節)

25 極限電流(Limiting current density)的定義： 當電池的燃料反應完後， 此時電流密度的值

26 Voltage drop : Mass transport or concentration losses :

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：
3.8 不可逆性的結合 將所有對性能造成阻抗的因素用方程式表示如下： 歐姆效應和燃料穿越效應 濃度損失效應和燃料穿越效應 活化過電位效應和燃料穿越效應

29 高低溫電池的比較

30 3.9 電雙層 電雙層主要是發生在陰極，陰極界面部分的正負離子產生電性吸附，積在界面造成傳遞的阻礙。

31 ε:electrical permitivity A :surface area
因為電荷在電解液及極板交界附近為儲存電荷及能量，行為類似電路中的電容，因此可在等效電路中利用電容模擬 charge double layer 的行為。 ε:electrical permitivity A :surface area d :the separation of the plates.

32 等效電路圖 電阻器Rr為模擬 ohmic losses 電阻器Ra為模擬 activation overvoltage

33 電阻器Rr (ohmic losses) 在電路系統中，電阻就如同燃料電池中的歐姆阻抗。 電阻器Ra (activation overvoltage) 電路系統中，電容在系統有負載電壓時，會吸收一部分的電壓，等切斷負載時，就放出吸收的電壓，就如同燃料電池中的活化過電位阻抗。

34 3.10 區別不同的可逆性 阻抗電壓的表示

35 PEMFC的電壓阻抗

36 DMFC的電壓阻抗

37 SOFC的電壓阻抗