氫氧燃料電池的工作原理與熵分析方法

燃料電池的爛分析方法摘要：本文主要對(duì)高于室溫條件下的氫氧燃料電池的工作原理進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)燃料電池的爛分析方法進(jìn)行了介紹，給出了高于室溫下條件下的燃料電池的爛產(chǎn)率與最佳工作溫度的表達(dá)式。前言燃料電池借助于電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，是一種高效率、無(wú)污染的能量轉(zhuǎn)換裝置⑴。隨著自然界資源的日益缺乏和人們環(huán)保意識(shí)的提高，21世紀(jì)燃料電池將得到進(jìn)一步的重視和發(fā)展。20世紀(jì)50年代，燃料電池的研究取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，60年代美國(guó)成功地應(yīng)用氫氧燃料電池為“雙子星座”和“阿波羅”飛船提供電力，80年代開(kāi)始各種小功率燃料電池在宇航、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域中開(kāi)始廣泛應(yīng)用。燃料電池能將化學(xué)能不經(jīng)過(guò)熱能這一中間過(guò)渡的能量形式直接轉(zhuǎn)換為電能，從而避免了產(chǎn)生的幣增的過(guò)程，其轉(zhuǎn)換效率可不受卡諾循環(huán)效率的限制⑵。燃料電池類(lèi)似于電池或者電解質(zhì)電池，但它與通常的電池有所不同，可以連續(xù)向電池供應(yīng)反應(yīng)物，因此，燃料電池就能連續(xù)運(yùn)行。它的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外的儲(chǔ)罐中。當(dāng)電池發(fā)電時(shí)，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排岀反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)也要排除一定的廢熱，以維持電池工作溫度的恒定⑶。本文將對(duì)參考文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)整理，對(duì)于氫-氧燃料電池的基本工作原理進(jìn)行介紹，并對(duì)對(duì)燃料電池的熱效率與爛分析進(jìn)行介紹。1燃料電池工作原理1.1燃料電池的基本反應(yīng)圖1氫氧燃料電池原理圖考慮最簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池，氫是燃料。如圖2所示，兩個(gè)電極都是由多孔材

料構(gòu)成，能允許氣體通過(guò)，在該電池陽(yáng)極處，氫與電解質(zhì)反應(yīng)生成HQ和電子，載電體是OH離子，氫、氧分別供應(yīng)“陽(yáng)極”及“陰極?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：陽(yáng)極：TOC\o"1-5"\h\zH2+20H~t2H2O+2e~(1)陰極：H2O+^O2+2e~^20H~(2)總反應(yīng)：THqO(3)向燃料電池供給氫與氧，而燃料電池輸出電功、熱量與水：Q=LH+We(4)式中，為反應(yīng)物與生成物在經(jīng)過(guò)燃料電池時(shí)的總焙差；％為燃料電池提供的電功；Q為燃料電池反應(yīng)熱。1.2燃料電池的電動(dòng)勢(shì)假設(shè)在閉合的電路中電流很小，反應(yīng)熱與有用功相比很小，且無(wú)其他不可逆因素，可近似認(rèn)為燃料電池工作過(guò)程是可逆過(guò)程。(19(19)S2S2-Sr=^(13)^ufmax=￡P(guān)e=G±—G?=H±—H?十T(14)在時(shí)間內(nèi)，燃料電池單位工作表面積上完成的最大有用功wu)max(即電功),等于電動(dòng)勢(shì)￡與流過(guò)電池的點(diǎn)亮S的乘積^u,max(5)^u,max(5)假定過(guò)程為室溫定壓反應(yīng)，根據(jù)吉布斯自由焙的概念，系統(tǒng)在初終態(tài)間完成的最大有用功量為:^ufmax=Epe=G±-G2=H±-H2+T(S2-SJ⑹將上式在等壓條件下對(duì)T求導(dǎo)，得:5(G1~G2)dTp=s2—s±(7)將式5(G1~G2)dTp=s2—s±(7)將式(7)帶入式(6)中得:fmax=禺-弘+TPe(亂+Pe\dTjp(8)(9)式(9)即為電池的電動(dòng)勢(shì)。1.3燃料電池的熱量取燃料電池與環(huán)境為系統(tǒng)，則總嫡變?yōu)椋篈S*=(S2-SJ+(S2‘-Sf)(10)式中，(S/-SJ)為外界的炳變量;(S2-SJ為燃料電池的的幣變量。設(shè)外界環(huán)境向電池的傳熱量為Q：則環(huán)境介質(zhì)的嫡變量為：⑸'一Sj)=—?dú)w(11)式中，r=To為外界環(huán)境溫度。若整個(gè)過(guò)程是可逆的，外界與電池的溫度相等，則AS*=0,即：(S?—Sj=—(S?'—Sj/)(12)由上面的討論可知：（1）如果電池中進(jìn)行全部過(guò)程都是可逆過(guò)程,則導(dǎo)數(shù)（篇）P決定于單位電荷流過(guò)電池時(shí)電池于環(huán)境交換得熱量。（2）燃料電池于環(huán)境交換得熱量和（籌）戸有關(guān)：如果（籌）p>0（即S2>S）則0>0,表示可逆電池從外界吸收熱量。此時(shí)，電池內(nèi)熔值減小，幣減小。如果（篇）p<0（即S2<S）則0<0,表示可逆電池向外界釋放熱量。此時(shí)，電池內(nèi)熔值減小，爛增加。1.4燃料電池的有效效率燃料電池的有效效率一般指:(15)(16)式中，胚為電功，—、H=H\_H2為燃料電池的反應(yīng)物的熔弘于生成物的熔弘之差。鋰電池理論最大有用功為：(16)^ufmax=￡P(guān)e=曰顯丁式中，厶為燃料電池單位工作表面積的理論電流。而實(shí)際有用功量為:(17)式中，/為工作電池的端電壓；/為燃料電池單位工作表面積實(shí)際輸出電流，故有:%~一冊(cè)—%~一冊(cè)—EltAT~"岡(18)式中巫=竺黔為燃料電池?zé)嵝剩弧口?￥為燃料電池相對(duì)內(nèi)效率，又稱(chēng)為電池電壓效率，當(dāng)電池完全可逆時(shí)，1卩=1;巾=彳稱(chēng)為電池電流效率，由于非電化學(xué)分解以及反應(yīng)的機(jī)械損失等原因，造成i]7<lo因?yàn)楫?dāng)燃料電池進(jìn)行可逆反應(yīng)時(shí)，其熱效率％即為電池的總效率，因此只討論燃料電池的熱效率:-AH-AHAH-AH-AHAH((#)OPT=TmaxOPT=Tmax^,Qrev=0,^=1在,TV張時(shí),即備)p>0,Qd>0」h>l；在T>Tmax時(shí)，即備)p<0,Q?&<0」h<l。因此，在T=Tmax時(shí)，電動(dòng)勢(shì)達(dá)最大值，但是其熱效率并未達(dá)最大值。只有T>Tmax時(shí)，熱效率才能達(dá)到最大值。4=0Perevrev3.2燃料電池的最佳工作溫度根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算可得:加5=加於+詈任_*)加5=加於+詈任_*)Ro

l+5(T-7b)(34)(35)式中io"是溫度為C時(shí)的交換電流密度；Q為活化能，近似為常數(shù)。由式(31)、(34)、(35),并利用極值條件(篇力=0,可得燃料電池最佳工作溫度：+(色a)\a+ca\nl—f/T0式中，a=o(b—cln詁),f=讐。參考文獻(xiàn)[1]吳鋒，朱永紅.T>T燃料電池的最小炳產(chǎn)率優(yōu)化[C]//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議.1997.⑵童鈞耕吳孟余王平陽(yáng).高等工程熱力學(xué)[M].