鑽石舞台

燃料電池理論電動勢

開路狀態下，氧離子導體固體氧化物電池由於陰極和陽極之間的氣氛中的氧濃度差異而產生電勢差，即能斯特電勢 E，其與淨自由能變化ΔG 相關。ΔG 與電勢 E 的關係如

下：

其中 n 為電荷轉移數。對純離子導體電解質而言，Nernst 電勢 E 可以近似等於電池開路電壓 OCV，當電極兩端分別以氫氣為還原劑和氧氣（通常用空氣代替氧氣）為氧化劑時，開路電壓值可以從電解質兩端的各種組分的分壓值獲得：

在該等式中，PO2表示陰極中氧的分壓，PH2 表示陽極中氫的分壓，PH2O表示燃料極中水的分壓，R 表示氣體的摩爾常數，F 代表 Farady 常數，T 代表熱力學溫度。假如氫氣和氧氣的氣體流速足夠快，則各個氣體組分的分壓是恆定的，那麼 Nernst 電勢 E也是恆定的，而非電流密度的函數。電池的理論電動勢 E0如下式，其中ΔG 為吉布斯自由能：

極化現象

SOFC 電極過程是多步驟反應。在電池運行過程中，極化現象是指外電流通過電極時引起電池的電動勢差偏離其平衡值的現象。極化一般可以分為三種過程，活化極化（ηact）、歐姆極化（ηohm）和濃差極化（ηcon）。圖 1.2 是 SOFC 電壓隨着電流密度變化的特性曲線。在電流比較小的時候，通常以電極活化極化為主，此時，催化劑的電催化活性和反應氣體氣的反應活性不高，電極反應基本過程涉及到電荷的轉移，即中性物質和離子間的轉換；隨着電流的增大，電池步入歐姆極化狀態，電荷在物質中的遷移會產生電阻，電阻會產生相應的電壓損失，它包含電荷在電池的各個部件之間傳導時的電阻和各部件之間的接觸電阻。在 SOFC 工作過程中，因為電極材料的電子電導率遠大於電解質的離子電導率，因此兩端電極的電子電阻遠小於電解質離子遷移的電阻，因此歐姆極化主要來自於電解質層。最後，在電流大的區域中，影響電池最大性能的極化是濃差極化，這是由反應物的供應速率太低或產物不能及時去除引起的。所以，在電池實際工作狀態下，SOFC 的 OCV（E）與其理論值之間會有以下關係：