材料化学

燃料电池、超级电容器

比较连续转换反应物化学自由能的燃料电池，与在界面或通过快速氧化还原储存和释放电能的超级电容器。

直觉持续发电还是快速缓冲？

燃料电池在持续供给燃料和氧化剂时产生电流，能量来自反应物，产物离开器件。超级电容器在有限器件内储存电荷，可快速输出，但之后必须充电。因此二者用途与评价指标不同。

对比燃料电池中的反应物流动与产物生成，以及超级电容器中的电荷储存和释放。

定义: 燃料电池

定义: 超级电容器

氢质子交换膜燃料电池在阳极氧化 H₂、在阴极还原 O₂；电子经负载流动，质子穿过膜，生成水和热。其他燃料电池化学体系使用不同离子、燃料、温度和电极材料。

\Delta G=-nFE,\qquad U=\frac{1}{2}CV^{2}

例题

解答

E = ½CV² = 0.5 × 10 × (2.0)² = 20 J。

理想电容器的储能与电容及电压平方成正比。燃料电池可逆电压由每摩尔转移电子对应的吉布斯能决定；负载下实际电压因活化、欧姆和浓差损失而降低。功率为电压乘电流，峰值功率或能量密度都不能单独反映寿命和系统效率。

性质	燃料电池	超级电容器
能量来源	连续供给反应物	有限储存电荷
优势	长时能量转换	快速充放电、高功率

多孔超级电容器电极提供可接触的大表面积，电解质离子形成双电层；赝电容材料还可提供快速可逆法拉第电荷。孔径、润湿性、离子溶剂化和电子电导率决定可用电容及倍率性能。燃料电池性能还取决于气体扩散、水管理、催化剂利用率和膜电导率。

Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications · A. J. Bard, L. R. Faulkner, 2001
Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications · B. E. Conway, 1999
Materials for fuel-cell technologies · B. C. H. Steele, A. Heinzel, 2001