豐田的氫燃料電池工作溫度為90℃，我們一般理解工作溫度極限是100℃，但是豐田又在搞120℃？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文從以下四個(gè)方面對(duì)燃料電池效率、功率與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。
01
燃料電池開路電壓OCV隨溫度升高而降低，那么效率隨溫度升高而降低？這個(gè)效率是什么效率？
費(fèi)曼在《物理學(xué)講義》中寫道“我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在今天的物理學(xué)中，我們還不理解什么是能量——這一點(diǎn)非常重要”。
能量是什么？熱力學(xué)第一定律告訴我們，能量既不能制造也不能湮滅，他跑來(lái)跑去，他就在那里。在他跑來(lái)跑去的過(guò)程中，我們總結(jié)出兩個(gè)好用的概念來(lái)描述能量，那就是“熱量”和“功”。
進(jìn)一步的，我們認(rèn)為“功”是一種高等級(jí)的能量，他能隨意的轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏文芰浚?ldquo;熱量”則是最低等級(jí)的能量，其他能量轉(zhuǎn)化為熱量很容易。這就是熱力學(xué)第二定律，熵增定律。
焓，熱力學(xué)中表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)重要狀態(tài)參量。吉布斯自由能，可以自由轉(zhuǎn)化的那部分能量。
在室溫常壓下，氫氧燃料電池：
△G=-237.3kJ/mol;
△H=-286kJ/mol；
H=G+TS （熱力學(xué)第二定律：熵S）
單堆開路電壓公式：
E=△G/nF=1.25V （E為開路電壓，n為電子數(shù)、F為法拉第常數(shù)）。
可逆高熱值效率：e=△G/△H=83%
從這個(gè)角度，溫度越高，開路電壓越低。（對(duì)熱量來(lái)說(shuō)，溫度越高，熱量品級(jí)越高。更高溫度的反應(yīng)生成水，代表了排出更高品級(jí)的熱量）溫度越高，可逆熱效率越低。（談到效率，必然有能量損耗，此處的能量損失指的是熵）
02
燃料電池在工作時(shí)，溫度越高，反應(yīng)越快越容易，效率越高？這個(gè)效率是什么效率？
燃料電池工作時(shí)存在著損耗，有三種：活化損失、歐姆損失和濃差損失，也可以被稱為活化極化（過(guò)電壓）、歐姆極化（過(guò)電壓）和濃差極化（過(guò)電壓）。
活化極化是指在電化學(xué)反應(yīng)中維持反應(yīng)正常進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)電子/質(zhì)子定向運(yùn)動(dòng)而消耗的能量，必須克服此能量壁壘。提高溫度有助于降低此壁壘。
歐姆極化則相當(dāng)于燃料電池的內(nèi)阻，同樣與電流成正相關(guān)。主要取決于電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率。和溫度關(guān)系不大。
濃差極化主要發(fā)生在大電流工作狀態(tài)下，此狀態(tài)下，電化學(xué)反應(yīng)速度極快，電極處反應(yīng)物迅速消耗，氫氣氧氣得不到及時(shí)補(bǔ)充，壓力下降，即反應(yīng)物出現(xiàn)濃度差，因此被稱為濃差損失。
這三種損失均可以通過(guò)電壓降的形式表示，實(shí)際燃料電池的工作電壓為：燃料電池的三種損失都與電流密度（電流÷反應(yīng)面積）相關(guān)，在低電流密度階段活化極化是主要影響因素，中電流密度時(shí)，歐姆極化占主流，此時(shí)燃料電池的i-V曲線基本成一直線，而高電流密度時(shí)，主要的影響因素又變成了濃差極化。可以看到，低電流密度和高電流密度時(shí)，輸出電壓變化較大，且不線性，因此正常使用時(shí)，應(yīng)盡量使用中間線性段。
而此時(shí)的燃料電池電壓為多少呢？0.6-0.8V左右。
此時(shí)燃料電池工作效率：e=0.6V/1.25V=48% （默認(rèn)電流密度不變）
可以看出燃料電池效率和工作溫度，溫度越高，效率越高，主要影響因素是活化電壓影響。
03
燃料電池溫度高時(shí)，功率越大嗎？功率密度越大嗎？
由上可知，在高溫時(shí)，工作電壓會(huì)稍高一些。在電流不變情況下，溫度越高，功率越高。
同時(shí)，功率：P=I*V，下圖可見，功率隨電流密度增加先升高，存在一個(gè)頂點(diǎn)，然后降低。而燃料電池的電流和消耗燃料的量程正比，每摩爾燃料提供n摩爾電子。除了三個(gè)極化損失，功率主要與燃料反應(yīng)速率有關(guān)。
功率密度是指燃料電池能輸出最大的功率除以整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的重量或體積（或面積），單位是瓦/公斤或瓦/升。功率密度主要與雙極板體積及重量有關(guān)。
04
燃料電池溫度低時(shí)，為什么最大功率被限制？
在溫度較低時(shí)， 活化電壓較高，導(dǎo)致輸出電壓較低，相同電流下，功率降低。在溫度較低時(shí)，排氣帶出的水變少，會(huì)造成水淹現(xiàn)象。通過(guò)降低功率，降低生成水，可避免這一現(xiàn)象。
在低溫時(shí)，不能直接加大負(fù)載，是因?yàn)槿剂想姵胤磻?yīng)速率慢，能夠發(fā)出的電少，突然強(qiáng)制增加負(fù)載，燃料電池在無(wú)法滿足負(fù)載的情況下會(huì)依次發(fā)生水電解、碳腐蝕等副反應(yīng)。
