ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Генерация теплоты
|
Л- |
|
(117) |
|
^тепл = |л/г | iV - |
Отклонение от обратимости приводит к потерям, которые про - іяются в виде тепла. При условии термического равновесия, интенсивность ювыделения равна разности между общей мощностью, выделяющейся в ходе идш, и электрической мощностью, подаваемой на нагрузку. При протекании і ции доступная общая мощность равна | Ah | /V, где Ah — изменение энталь - и системы в расчете на 1 кмоль продукта реакции, а N — скорость образова- продукта реакции. Если интенсивность тепловыделения обозначить Ртеш, їктрическую мощность на нагрузке — PL, то
В реальных топливных элементах реализуется несколько механизмов ге рации теплоты:
1. Термодинамическая тепловая мощность, Ртер ( = Т|ДУ| N. Эта тепл
мощность выделяется (реже поглощается) даже в обратимом топли элементе.
2. Тепловая мощность, обусловленная разницей между обратимым напряже
К>бр и напряжением холостого хода Vx. Эта величина (Вт) Рк = (^обр - 1 х
3. Теплота, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении топливного мента, РДж = 1%нутр.
4. Теплота, обусловленная отклонением Textra напряжения топливного мента от значения, отвечающего уравнению VL = Ух - /Лвн>тр, вслед' других причин. Эти причины могут быть связаны с наличием нап ния активации К(ктив или с падением напряжения вследствие сниж концентрации электролита, как упоминалось выше. Тепловая могцн обусловленная этими причинами, Pextra = Fextra/.
5. Теплота конденсации водяного пара Яконл, который является прод' к реакции, Якоил = |а/іко11л| N. Если в качестве Ah используется знач для реакции образования водяного пара и получившийся в реакции дянои пар удаляется без изменения агрегатного состояния или в качес Ah используется значение для образования воды в жидком состоян» вода удаляется из ТЭ в виде жидкости, в обоих случаях РКОИД необхо принять равной нулю.
Пример 4
Рассмотрим ТЭ фирмы Ballard, ВАХ которого изображена на рис. 7.28. Какова мак мальная электрическая мощность, которую может генерировать этот элемент, и і аі количество теплоты он при этом будет выделять? Чему равен КПД этого элем Будем использовать ВАХ, соответствующую температуре 70 °С, а чтобы упросі задачу, будем считать, что все процессы протекают при нормальных условиях. В образующаяся в процессе работы ТЭ, отводится из него в виде пара. Вольт-амперная характеристика элемента описывается соотношением
|
(11 (11 |
VL = 0,913-49,3-Ю”6/ , и, следовательно, его выходная мощность (Вт/м2)
PL = VLJ = 0,9137 -49,3-10“6/2.
Это выражение определяет мощность которая передается на нагрузку с 1 м2 актив поверхности электродов топливного элемента. Максимальная мощность элеме определяется из условия
|
(ll'Ji |
-fr = 0,913 - 98,6 • 10_б/ = 0,
Продолж. примера
откуда
|
(121) |
J = 9260 А/м2.
При таком значении плотности тока мощность топливного элемента будет равна 4230 Вт/м2.
Если коэффициент использования тока равен 100 %, то интенсивность образования воды
/ 9260
|
N = ■ |
= 48-10_6 кмоль Н20/(с-м2). (122)
qneN0 1.60 -10“19 - 2 6.02 -1026 Таким образом, общая мощность, выделяемая в реакции.
ЯГ)Ш = ДhN = 242-Ю6-48-ИГ6 = 11600 Вт/м2.
(123)
Из этой мощности 4230 Вт/м2 выделяется в виде электрической энергии на нагрузке, поэтому мощность тепловыделения ТЭ равна 11600-4230 = 7370 Вт/м2.
Отметим, что потери на джоулево тепловыделение внутри ТЭ составляют:
|
(124) |
/дж = RBimvJ2 = 49,3 10-6 ■ 92602 = 4220 Вт/м2
Очевидно, что эта величина равна мощности, подаваемой на нагрузку, так как максимальное значение мощности может быть получено только при условии равенства сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника тока. Термодинамическая тепловая мощность равна
|
(125) (126) (127) |
Термод = T&sN = 298-44,4-103 • 48 ■ ИГ6 = 635 Вт/м2. Потери, связанные с тем, что значение Vx меньше, чем Робр, составляют ^Х= (Кобр - К)/= (1,185 - 0.913)9260 = 2519 Вт/м2. Безусловно, должно выполняться равенство
+ Д, + Рп-г + Рт.
Р = Р
общ термод "г Ах "1” -*Дж ^L *
Коэффициент полезного действия этого топливного элемента
|
(128) |
|
= 0,365 |
|
л = |
|
PL _ 4230 Робш “11600 |
В рассмотренном выше примере ток, генерируемый топливным элементом 9260 А/м2), превышает максимальное значение плотности тока (7000 А/м2), казанное производителем. Это, вероятно, означает, что топливный элемент не жет работать на полную мощность, т. е. не может рассеивать 7400 Вт/м2 теп - гы, генерируемой в этом режиме работы.
Коэффициент полезного действия этого элемента при условии работы на іолее низком уровне мощности будет существенно выше, чем при работе в
экстремальном режиме, как было принято для расчета в рассмотренном примере. Действительно, при плотности тока J = 7000 А/м2 КПД будет р примерно 45 %.
