燃料电池电压由什么决定？

由理论电压（80℃时约1.19 V）减去三种损耗：推动电极反应所需的活化损耗、膜和接触电阻引起的欧姆损耗、反应物不足引起的浓差损耗。把它对电流密度作图就是极化曲线，是表示燃料电池性能最基本的图。

哪种损耗最大？

质子交换膜燃料电池中，空气极（阴极）氧反应慢，活化损耗最大。1.0 A/cm²的例子中，活化0.42 V、欧姆0.10 V、浓差0.035 V，单电池电压0.635 V。高电流时欧姆和浓差损耗增加，1.8 A/cm²时浓差损耗达0.115 V。

燃料电池的热管理为什么重要？

因为电压损耗全部变成热。氢的低位热值换算成电压为1.25 V，在0.635 V运行时约一半变成热。80 kW燃料电池会放出约78 kW热量，不用冷却带走温度就会升高，膜变干电阻增大，性能下降。这就是把电化学、热、水的迁移耦合求解的原因。

燃料电池建模

分类：耦合分析·电化学 | 2026-10-01 改写

理论：理论电压减去三种损耗

概述

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燃料电池单电池电压为什么只有0.6 V左右，而不是理论的近1.2 V？

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因为通电后几种损耗使电压下降。首先，在电极上推动反应要用掉一部分电压（活化损耗），质子交换膜燃料电池空气极氧反应慢，这里约损失0.4 V。其次，膜和部件之间的电阻使电压下降（欧姆损耗）。再者电流增大后，氧和氢来不及到达反应部位，电压急剧下降（浓差损耗）。把这三项对电流密度相加就是极化曲线，是考虑单电池设计和运行条件的基础。损失的电压全部变成热，所以热的处理也由此决定。

极化曲线模型

$$ V = E_0 - b\ln\frac{i}{i_0} - i\,R_{ASR} + c\,\ln\!\left(1 - \frac{i}{i_L}\right),\qquad b = \frac{RT}{\alpha F} $$

E₀为理论电压（1.19 V，80℃），b为塔费尔斜率（α = 1时0.0304 V，每十倍70 mV），i₀为交换电流密度（10⁻⁶ A/cm²），R_ASR为面积比电阻（0.10 Ω·cm²），i_L为极限电流密度（2.0 A/cm²），c为浓差损耗系数（0.05 V）。

功率、效率与发热

$$ P = V i,\qquad \eta_{LHV} = \frac{V}{1.25\ \mathrm{V}},\qquad Q_{heat} = (1.25 - V)\,i\ \ (\text{per area, water as vapour}) $$

Coffee Break 随笔闲谈

从宇宙飞船到汽车

燃料电池原理由格罗夫于1839年提出，但实用化始于1960年代的航天开发。双子座飞船搭载质子交换膜型、阿波罗飞船搭载碱性燃料电池，提供电力和饮用水。此后膜和催化剂的改进提高了功率密度，2014年燃料电池汽车上市销售。在减少铂催化剂的同时抑制阴极活化损耗，至今仍是重大研究课题。

算例

例1：各电流密度下的电压与损耗（80℃）

电流密度	单电池电压	活化	欧姆	浓差	功率	效率（低位）
0.1 A/cm²	0.827 V	0.350 V	0.010 V	0.003 V	0.083 W/cm²	66%
0.5 A/cm²	0.726 V	0.399 V	0.050 V	0.014 V	0.363 W/cm²	58%
1.0 A/cm²	0.635 V	0.420 V	0.100 V	0.035 V	0.635 W/cm²	51%
1.5 A/cm²	0.538 V	0.433 V	0.150 V	0.069 V	0.807 W/cm²	43%
1.8 A/cm²	0.457 V	0.438 V	0.180 V	0.115 V	0.822 W/cm²	37%

最大功率在1.70 A/cm²时为0.831 W/cm²（电压0.488 V）。

例2：膜变干电阻增大时

电流密度	电阻0.10 Ω·cm²	电阻0.15 Ω·cm²
1.0 A/cm²	0.635 V	0.585 V
1.5 A/cm²	0.538 V	0.463 V

以1.0 A/cm²（0.635 V）输出80 kW，单电池总面积约需12.6 m²，运行中放出约78 kW热量（水以蒸汽排出时）。

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放出与输出相当的热量，冷却就和发动机汽车一样难了。

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热量比发动机少，但有些方面反而难处理。燃料电池在80℃左右运行，与外界温差小，散掉同样的热需要大散热器。发动机的排气带走大部分热，燃料电池的排气温度低，几乎所有热都要靠冷却水带走。而且温度与膜的水分密切相关，过热膜就变干、电阻增大，如例2那样电压下降、发热进一步增加。反之过冷则生成的水凝结堵塞流道，浓差损耗增加。所以燃料电池模型要把电化学反应、传热、水的迁移（蒸汽和液态）耦合起来，求单电池内的分布。

建模流程

由实测极化曲线拟合交换电流密度、电阻和极限电流密度。
计入流道、扩散层、催化层和膜的形状，求解气体和水的流动。
由电流分布求发热，包括冷却求解温度。
按温度和含水率更新膜电阻，耦合电化学与热、水。
与单电池内电流、温度、水分布的测量比较。

Coffee Break 随笔闲谈

“只有出口侧性能下降的单电池”

某燃料电池单电池测量电流分布时，只有靠近空气出口的部分电流大幅下降。耦合分析表明，空气沿流道前进时生成水使湿度升高，在出口附近凝结堵塞扩散层，氧难以到达；而入口附近偏干，膜电阻高。重新调整空气流量、加湿量和冷却水流向，使温度和湿度分布均匀后，电流分布变均匀，单电池电压也提高了。

常见错误

错误与对策

错误	后果	对策
温度取常数	漏掉变干和水堵	耦合热与水
膜电阻取常数	高电流时电压出错	按含水率函数
只按平均电流密度评估	漏掉局部劣化	求分布
不由损耗计算发热	冷却不足	由损失电压求发热
只用一个测点拟合	其他电流偏差	用整条曲线拟合

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