group-telegram.com/globalenergyprize/8468
Last Update:
Топливные элементы для транспортных средств. Продолжение I
👉 Каждая из двух электродных реакций (1) и (2) создает характеристическую разность потенциалов на границе раздела твердый электрод/электролит. Общее напряжение между двумя электродами, разделенными электролитом (напряжение ячейки), позволяет электронам, генерируемым на аноде и потребляемым на катоде, совершать работу во внешней цепи. Химическая энергия, выделяемая отдельными электродными реакциями на пространственно разделенных электродах, напрямую преобразуется в электрическую энергию. Этот способ получения энергии отличается от горения в «классическом» термомеханическом производстве энергии, где окисление топлива и восстановление окислителя происходят в одной точке пространства, в результате чего выделяется только тепло.
👍 Максимально возможное напряжение для данной протекающей в ТЭ реакции (3) при постоянном давлении связано с энергией Гиббса ΔG и определяется энтальпией сгорания водорода. Поэтому идеальное напряжение ТЭ соответствует напряжению V:
U = -ΔG/zF, → (U = 1.23 В)
где z – число электронов, участвующих в реакции (z = 2 для реакции (3)), F– константа Фарадея (F = 96.487 Кл/моль). Энергия Гиббса ΔG – максимальное количество энергии, которое в ходе реакции может быть преобразовано в работу при постоянных давлении и температуре (ΔG = -237.34 и -228.74 кДж/моль при образовании жидкой и газообразной воды, соответственно). Энтальпия реакции ΔH – полная энергия, выделяющаяся в ходе реакции, включающая теплоту и работу (ΔH = -286.02 и -241.98 кДж/моль при образовании жидкой и газообразной воды, соответственно). Эти величины связаны следующим уравнением:
ΔG = ΔH - TΔS,
где член TΔS характеризует необратимые потери энергии, которые в любом случае будут преобразованы в теплоту. За счет наличия второго слагаемого в уравнении (5) теоретическое напряжение ТЭ будет ниже идеального. В отсутствии тока напряжение ячейки зависит исключительно от термодинамики двух электродных реакций, а конкретно – от разницы их электродных потенциалов. Потенциал РОВ, протекающей на аноде реакции (1), EРОВ = 0 В при стандартных условиях (давлении 1 атм. и 25 °C). Потенциал РВК, протекающей на катоде реакции (2), EРВК = 1.23 В. Таким образом, напряжение ячейки с H2 и O2 в качестве реагентов в идеальном ТЭ должно быть U0 = EРВК–EРОВ = 1.23 В.
🧮 Теоретический эффективность работы ТЭ – термический коэффициент полезного действия (КПД) – рассчитывают относительно максимальной свободной энергии, доступной для превращения в электрическую работу:
КПДтеор = ΔG/ΔH*100% = (1-TΔS/ΔH) * 100%.
Таким образом, при 25 °C максимальный КПД ТЭ при образовании газообразной воды составит 95%, в случае образования жидкой воды – 83%. На практике фактический КПД ТЭ рассчитывается из вольтамперной характеристики как:
КПДфакт =V/Vр.ц. * 100%,
где V – напряжение ТЭ под нагрузкой, Vр.ц. – напряжение разомкнутой цепи. На данный момент достижимый КПД ТЭ в транспорте достигает 60%.
💪 Таким образом, термодинамическое рассмотрение топливных элементов приводит к выводу, что они представляют собой очень перспективные устройства преобразования энергии. Для работы батареи топливных элементов, как и для двигателя внутреннего сгорания, требуется ряд дополнительных компонентов, обеспечивающих нормальное функционирование. В число этих компонентов входят: система подготовки и подачи водорода, система подготовки и подачи воздуха, система охлаждения, система преобразования и стабилизации напряжения.
Продолжение следует
https://www.group-telegram.com/ua/globalenergyprize.com/8458
BY Глобальная энергия
Share with your friend now:
group-telegram.com/globalenergyprize/8468