燃料电池动力学（二）

燃料电池动力学?动力学：通常指的是电极反应动力学，是研究阳极、阴极电化学反应快慢的一门分支学科。通过研究动力学，可以从电化学反应角度上分析并

提高燃料电池的性能。燃料电池的过电势来自于三个部分，其中就是由电极反应动力缓慢导致的活化过电势伽伐尼电势?伽法尼电势的产生以为例，

正向反应的活化能比逆向反应的活化能低，所以反应向正方向进行，使得生成的H+不断在电解质累积，e-不断在电极累积，从而在电极/电解质

界面形成一个电势，这个界面电势就是伽伐尼电势，或者称作内电势界面电势的存在阻碍了反应向朝着正方向进行，当电势累积到一定程度，正逆方

向反应速率恰好相等电极电解质伽伐尼电势?伽法尼电势以如下图所示，自由能的降低促使反应朝正方向进行，但是伽伐尼电势的产生会抵消自由能

的差别，使得正方向与逆方向反应速率相等，电极界面达到热力学平衡状态；在阳极界面，会产生一个阳极的伽伐尼电势，同样在阴极一侧会产生伽

伐尼电势，两者之和就是燃料电池热力学平衡电势。B-V方程电势改变产生电流电化学反应的基本特性就是可以通过操控电势来改变活化能大小；

通过牺牲一部分热力学有用电势，可以使反应朝正方向进行，这样也就产生了一个正向的净电流；将伽伐尼电势降低ηact电极，正向的反应活化

能会降低αnFη，逆向反应速率会相应增加(1-α)nFη，这时候正向活化能小于逆向的活化能，反应就能向正方向进行牺牲的电势ηact

就是电极活化过电势，它表示克服同样的活化能而损失的电压，牺牲同样的过电势，产生的电流越大，说明燃料电池催化剂催化性能

越好；α被称为

传输系数，与活化能的对称性有关，它表示界面电势的改变如何影响正向和逆向反应活化能的大小；α=0~1，通常为0.2~0.5。B-V

方程?净电流从牺牲一部分有用电势以后，反应的正逆方向电流密度分别为：?B-V方程那么净电流密度就是两者之差：]这就是著名的B-V

方程(Butler-Volmer方程)，被认为是电化学动力学的奠基石；B-V方程告诉我们，想要获得更大的电流，就必须牺牲更多的有用

电势；B-V方程活化过电势对电压的影响下面左图是活化过电势随电流的变化趋势，在低电流密度下呈现近似的线性关系，在大电流密度下，呈现

指数关系；就燃料电池性能而言，ηact是的电池电压随电流增大呈现指数损失趋势，损失的大小依赖于交换电流密度i0大小，具有一个高的i

0对电池性能至关重要。B-V方程?低电流密度的近似当ηact非常小（室温下小于15mV），根据ex→1+x，B-V方程可以简化为：

这说明，电流密度和过电势在偏离平衡状态较小的情况下，它们呈现线性关系，与传输系数α无关?大电流密度的近似当ηact非常大（室温下5

0~100mV）,B-V方程中第二项非常小可以忽略，方程简化为：那么ηact可以表示为：也就是与i的对数成线性关系，简化表示为：这

就是塔菲尔公式（Tafel公式），a、b是塔菲尔系数，b是塔菲尔斜率。塔菲尔公式?塔菲尔公式塔菲尔公式在大电流下，正向反应去决定性

作用，相当于反应完全不可逆，过电势与电流呈指数关系；在燃料电池实际运行过程中，我们更关系大电流下电池状态，所以塔菲尔公式更加有用；

从塔菲尔公式中可以知道，对lgi作图可以获得一条直线，从直线的斜率以及截距中可以解出交换电流i0和传输系数α感谢观看！！