燃料电池中的能量转换（氢燃料电池-燃料电池的电压损耗）

文章“氢燃料电池的氢渗透-质子交换膜隔绝气体吗？”中有一个观点，燃料电池在开路时其电压低于理论电压1.23V。而且指出开路的氢燃料电池的内部电流和反应气体的渗透与这个低的开路电压有关。

上述电压的降低就是这里要分析的燃料电池的电压损耗问题。氢燃料电池的电压损耗，除了提及​的内部电流和渗透损耗，还有活化损耗、欧姆损耗和浓度极化。

先说活化极化损耗。首先我们应该先理解什么是活化极化。活化极化就是由于电极电化学反应延迟而引起其电位偏离平衡电位的现象。在电流密度低下容易出现活化极化。随电流密度提高，活化极化损耗降低。活化极化除与电流密度有关外，还与电极材料有关，但与搅拌无关。因此，活化极化还分为阳极极化和阴极极化。阳极极化和阴极极化分别对燃料电池的电子释放与吸收不利。为阳极利于释放电子，必须使阳极电位更正于平衡电位；为阴极利于吸收电子，必须使阴极电位更负于平衡电位。这个阳极对平衡电位的更正和阴极对平衡电位的更负就会产生活化极化损耗。

活化极化如何表征呢？一般采用塔菲尔（Tafel）方程:

其中，b就代表塔菲尔斜率,

塔菲尔方程对燃料电池的活化损耗只是经验表征。需要说明的是，塔菲尔斜率b具有非常重要的意义，b越小，在燃料电​池​极化曲线上表明导电性越好。

第二个影响因素是欧姆损耗。欧姆损耗主要是针对燃料电池中的离子和电子。质子交换膜虽然允许质子通过，但有一定的阻抗；质子交换膜限制的电子通过外电路经导电元件到达阴极，也会产生一定的阻抗。当然质子交换膜也会限制阴离子从阴极到阳极。这些阻抗加上接触电阻产生的电压损失就欧姆损耗。阳极质子和阴极阴离子统称离子流，离子流阻抗包括阳极电极、阴极电极和质子交换膜电阻，电子流阻抗包括外电路电阻。而且电子流电阻与离子流电阻相比非常小，可以忽略不计；阳极离子流电阻和阴极离子电阻统称为接触电阻，因此，总的欧姆电阻就是接触电阻和质子交换膜电阻。典型的欧姆电阻为0.1~0.2Ωcm²。

第三个影响因素是浓度极化。浓度极化是由于电化学反应中的反应物快速消耗形成浓度梯度时产生的。催化剂表面的反应物浓度随电流密度升高而降低。当电流密度最大时，表面的反应物浓度将降至0，这时表明反应物的消耗速率和扩散速率相等。这时的最大电流就是极限电流密度。浓度极化引起的电压损耗与电流密度的关系如下式。

简单关系就是，反应物浓度影响电流密度，电流密度影响电压损耗。

整个来说，氢燃料电池的电压损耗包括活化损耗、内部电流和渗透损耗、欧姆损耗以及浓度损耗。深入分析影响电压损耗的因素，对我们理解氢燃料电池电位有重要的意义。事实上，氢​燃料电池工作的电压只有理论电压的一半左右，可见电压损耗对电池的影响是很大的。

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