ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Параметры топливных элементов

Выходное напряжение обратимого топливного элемента, пода­ваемое на нагрузку, VL = Кобр и не зависит от силы генерируемого тока. Вольт - •мперная характеристика такого элемента представляет собой горизонтальную инию. Для работы идеального топливного элемента требуется достаточно быс­трая кинетика химических реакций, для того чтобы обеспечивать необходимую нгенсивность поступления электронов во внешнюю цепь. Очевидно, создание обратимых топливных элементов технически нереализуемо. В реальных ТЭ на - подаются две основные причины отклонения от «идеальности»:

і напряжение холостого хода реального ТЭ VK меньше, чем напряжение обра­тимого ТЭ Kofip;

2) выходное напряжение ТЭ на нагрузке VL уменьшается при увеличении с>-1 тока IL в пепи.

Часто вольт-амперная характеристика (ВАХ) ТЭ представляет собой пря линию с небольшим отклонением от прямолинейности при малых значен силы тока. Пример такой ВАХ показан на рис. 7.26 слева. Однако в некотпс» случаях вольт-амперная характеристика ТЭ может быть близка к линейной то г ко в небольшом диапазоне значений силы тока (рис. 7.26, справа).

20 40 60

Сила тока, А)

Рис. 7.26. Типичные современные топливные элементы имеют, как правило, линеи ' вольт-амперную характеристику, которая имеет слабую нелинейность лишь Ч малых значениях силы тока (на рисунке слева). Небольшой демонстрации ный топливный элемент с жидким электролитом фирмы Engelhard, наоб > характеризуется незначительным диапазоном значений силы тока, в коті/, • ВАХ близка к линейной. За пределами этого диапазона ВАХ весьма замел отклоняется от линейной (на рисунке справа).

Типичная вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 7.26 (еле j может быть описана следующим уравнением:

^! ^вну р — ^акгив ’

где I / R, я iytV — падение напряжения на внутреннем сопротивлении /?внутр элече 1 К1ктив — так называемое напряжение активации, т. е. напряжение, которое і такую функциональную зависимость от силы тока /,, которая позволяет л вильно воспроизвести зависимость напряжения V, от силы тока. Если им? достоверные экспериментальные данные о зависимости VL от силы тока і то на их основе можно определить значение внутреннего сопротивления а также функциональную зависимость напряжения VaKmB от IL. Тем не менее І который дополнительный теоретический анализ поможет упростить эту зад ■ Как будет показано ниже, зависимость Кеіктив от IL является логариф. ской. При умеренно больших значениях силы тока

(83)

где V2 и 10 — параметры, значения которых определяются на основе экспери - ентальных измерений ВАХ.

Наклон ВАХ определяется не только внутренним сопротивлением ТЭ. Дейс­твительный наклон ВАХ равен (за исключением области очень низких значений силы тока):

(84)

Как отмечалось выше, /?вн>тр является функцией тока IL. Однако на прак­тике топливный элемент работает в диапазоне значений тока, в котором за - іисимость между напряжением и силой тока очень близка к линейной, t е. V2/IL<с /?вну, р. В этом случае топливный элемент можно рассматривать как ил очник напряжения и сопротивление Лвну.,р, соединенные последовательно, • к показано на рис. 7.27.

Цве схемы замещения, показанные на рис. 7.27, абсолютно эквивалентны. Схема, изображенная на рисунке слева, очевидна; на схеме справа напряжение элостого хода Vxx создается двумя источниками напряжения Vo5p и Fo6p - Vxx, (заключенными по встречной схеме. Такое представление схемы замещение пзже поможет при расчете внутреннего тепловыделения. Напряжение холо­стого хода Vxx, очевидно, можно определить, найдя точку пересечения ВАХ осью ординат.

Для представленной схемы замещения можно записать

К* ^£^внутр ^хх *^^нутр *

Иногда ВАХ изображается как функция плотности тока J = I / А, где А площадь активной поверхности электродов:

VL = Vx-JARBHyTp = Vx-3iJ,

где 9? — удельное сопротивление элемента, Ом-м2.

На рис. 7.28 показана вольт-амперная характеристика топливного элем фирмы Ballard. Линейная интерполяция экспериментально измеренных дан о зависимости напряжения от плотности тока позволяет получить соотноше для расчета выходного напряжения ТЭ:

при 50 °С VL = 0,912 - 54,4 ■ 10"6/ , при 70 °С VL = 0,913 - 49,3 • 10'6/, где J — плотность тока, А/м2.

7.28. Вольт-амперная характеристика топливного элемента с твердополиме, электролитом фирмы Ballard

Так как площадь активной поверхности рассматриваемой модели А = 0,0232 м2, приведенные выше соотношения могут быть переписанн расчета напряжения в зависимости от силы тока /, где I = JA:

при 50 °С VL = 0,912 -2,34-10“3/, при 70 °С VL = 0,913 -2,12- НГ3/.

Напряжение холостого хода равно:

при 50 °С 0,912 В, или 77,4 % значения Уфр = 1,178 В,

при 70 °С 0,913 В, или 78,0 % Vo6p = 1,171 В.

Напряжение холостого хода слабо зависит от температуры. Как было показано выше, Fo6p уменьшается незначительно при увеличении температуры, тогда как напряжение холостого хода Vx немного увеличивается с ростом температуры в результате интенсификации кинетики химической реакции.

Более существенному влиянию температуры подвергается внутреннее сопро­тивление ТЭ. Его значение уменьшается от 2,34 до 2,12 мОм (более чем на 9 %) при увеличении температуры на 20 К.

7.8.3.1. Масштабирование топливных элементов

Иногда данные о технических характеристиках ТЭ представляют в виде за­висимости напряжения от плотности тока, а не от силы тока. Такой подход позволяет производить масштабирование топливных элементов, т. е. оценивать технические характеристики больших топливных элементов на основе данных о характеристиках меньших экземпляров того же типа.

Рассмотрим топливный элемент, имеющий площадь активной поверхности электродов, равную Aq, и вольт-амперную характеристику, описываемую урав­нением

Так как

то уравнение (87) преобразуется к виду

П ~ К -^внутр - К •

Если теперь создать элемент такой же конструкции с использованием тех же материалов, но с другим значением площади активной поверхности А, тогда, очевидно, внутреннее сопротивление станет равным:

Другими словами, удельное сопротивление более крупного топливного мента равно удельному сопротивлению меньшего ТЭ, а зависимость напряже от плотности тока для обоих элементов одинаковая, тогда как их вольт-ампер характеристики могут отличаться.

Масштабирование ТЭ на практике может оказаться не такой простой зада При изменении габаритных размеров ТЭ возникают проблемы с отводом те ты и управлением распределением волы в элементе. Те же проблемы возник при объединении отдельных ТЭ в батареи для увеличения общего напряже что делается производителями ТЭ практически всегда.