By introducing an equivalent thermal potential fixed in terms of the heat of reaction, a thermodynamic equivalent circuit is determined for a fuel cell which yields the correct current-potential curve of the cell for low current by formal application of Ohm's law. The thermodynamic power balance and the thermodynamic efficiency also are given correctly. A linear electrical equivalent circuit is constructed which represents closely the electrical performance of the cell over a wide range of current (not approaching zero). The effect of polarization processes on the electrical power and efficiency is taken into account through a single constant parameter. Introduction of the equivalent thermal potential into the circuit yields a thermodynamic equivalent circuit whose output computed by formal use of Ohm's law coincides exactly with that given by the electrical equivalent circuit. The correct electrical properties, thermodynamic power balance, and thermodynamic efficiency follow directly from the circuit. A general theorem is formulated, independently of the validity of an equivalent circuit, connecting the thermodynamic and electrical efficiencies of a fuel cell. Confirmatory experimental results based on hydrogen-oxygen cells are presented, which underline the large reduction in available power brought about by polarization processes and entropy changes in a fuel cell.
R6sum6--En introduisant un potentiel thermique 6quivalent fix6 par la chaleur r6actionelle on d4termine un circuit thermodynamique 6quivalent pour une pile 5 combustible, lequel fournit correctement la courbe courant-potentiel de la cellule aux courants faibles par l'application formelle de la loi d'Ohm. Le bilan thermodynamique de la puissance et le rendement thermodynamique sont aussi donn6s correctement. On construit un circuit 61ectrique lin6aire 6quivalent qui repr6sente de mani~re tr~s approch6e le comportement 61ectrique de la cellule dans un intervalle 6tendu de courant (mais n'approchant pas de z6ro). L'effet des processus de polarisation sur la puissance et le rendement 61ectriques est tenu en ligne de compte par le moyen d'un param~tre constant unique. L'introduction du potentiel thermique 6quivalent dans le circuit le transforme en un circuit thermodynamique 6quivalent dont le d6bit, calcul6 par application formelle de la loi d'Ohm, coincide exactement avec celui donn6 par le circuit 61ectrique 6quivalent. Les propri6t6s 61ectriques correctes, le bilan thermodynamique de la puissance et le rendement thermodynamique r4sultent directement de ce circuit. Ind6pendamment de la validit6 d'un circuit 6quivalent on formule un th6or~me g6n6ral reliant les rendements thermodynamique et 61ectrique d'une pile 5 combustible. On pr~sente des r6sultats exp6rimentaux se rapportant 5. des piles 5 hydrogSne et oxyg6ne qui confirment la m6thode suivie et soulignent la perte consid6rable de puissance disponible caus6e par les processus de polarisation et les changements d'entropie des piles 5 combustible.
Zusammenfassung--Durch Einfiihrung eines /iquivalenten thermischen Potentials, bezogen auf die Reaktionsw~rme, kann ein thermodynamisches ,~quivalent-Schema einer Brennstoffzelle entwickelt werden, welches bei formaler Anwendung des Ohm'schen Gesetzes ihre korrekte Strom-Spannungs-Charakteristik ffir kleine Str6me liefert. Die thermodynamische Energiebilanz und der thermodynamische Wirkungsgrad ergeben sich ebenfalls richtig. Mittels eines linearen elektrischen ~quivalent-Kreises kann auch das elektrische Verhalten der Zelle mit guter N/iherung fiber einen neuen Strombereich (aus. genommen I-+ 0) beschrieben werden. Mit Hilfe eines einzigen konstanten Parameters l~isst sich der Einfluss von Polarisationsvorgfingen auf die elektrische Leistung und den Wirkungsgrad einbeziehen.
Die Einf~ihrung des /iquivalenten thermischen Potentials in dieses Schema ergibt ein thermodynamisches Aquivalent-Schaltbild, dessert Ausgangsleistung, errechnet durch formale Anwendung des Ohm'schen Gesetzes, vollstfindig mit demjenigen des elektrischen ,~quivalent-Kreises i.ibereinstimmt. Die korrekten elektrischen Eigenschaften, die thermodynamische Energiebilanz und der thermodynamische Wirkungsgrad ergeben sich direkt aus dem Aquivalentkreis.