ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Исследуя технические характеристики реальных топливных эле­ментов, мы должны ответить на следующие вопросы:

1. Какую силу тока можно получить на выходе топливного элемента?

2. Каков коэффициент полезного действия элемента?

3. Какова его вольт-амперная характеристика?

4. Какой тепловой баланс характеризует работу устройства?

5. Каким образом можно отвести избыточное количество теплоты, выделя­ющейся при работе устройства?

7.8.1. Сила тока, генерируемого топливным элементом

Если продукт реакции (вода в водородно-кислородном ТЭ) обра - , гтея со скоростью N киломолей в секунду, а число электронов, приходящихся и одну молекулу продукта реакции равно пе (для водородно-кислородного ТЭ я =2), то интенсивность, с которой электроны поступают во внешнюю цепь, 5на neN или neNN0, если выразить эту величину в количестве киломолей электронов в секунду. Следовательно, сила тока

I = gneN, N. (79)

Можно определить коэффициент использования тока как отношение действи - тьной силы тока /,, протекающего через полезную нагрузку, к теоретическому шачению силы тока, определенному выше. В большинстве случаев, коэффици - нт использования тока близок к 100 %.

7.8.2. Эффективность реальных топливных элементов

Как было показано выше, теоретический КПД обратимого топливного эле - .нта

_ AG Т1обр “ АН '

При вычислении КПД в качестве АН может быть использовано как сшее значение теплоты сгорания топлива, так и ее низшее значение, тому необходимо обязательно указывать, какое значение теплоты crop топлива было выбрано при расчете КПД топливного элемента. В каче AG следует использовать значение, равное изменению свободной энергн реакции образования водяного пара (если, конечно, продуктом реакции ляется водяной пар).

Коэффициент полезного действия реальных топливных элементов опредр ся как отношение электрической мощности PL, поданной на полезную i larpv к тепловой мощности реакции между исходными веществами, протекают калориметре при тех же значениях температуры и давления, при которых тает топливный элемент:

■п =A = Ml = wSIl 1практ PQ AhN Ah '

Снова имеется выбор, какое значение Ah использовать. Полагая коэфс} ент использования тока равным 100 %, для водородно-кислородного топли го элемента, работающего при нормальных условиях, получим значение К определенное по низшей теплоте сгорания водорода,

^Іпракг н. у — 798. (

Реальные топливные элементы имеют более низкий КПД, чем идеальные по следующим причинам:

1. Реагенты, которые подаются в топливный элемент, участвуют в полезнои акции неполностью: часть веществ теряется из-за утечек, другая часть мо участвовать в нежелательных сторонних реакциях. Иногда часть топлива ходуется для обеспечения работы вспомогательного оборудования напргт тепловых крегинг-установок и т. п. Топливо также может сжигаться для по шения температуры отработавших газов в комбинированных энергетичес установках.

2. Не весь ток, генерируемый ТЭ, подается на полезную нагрузку. Возмо утечки тока по элементам оборудования. Кроме того, часть электричек мощности может расходоваться на питание дополнительного оборудован например компрессоров.

3. Выходное напряжение V, топливного элемента меньше, чем обратимое пряжение Кобр (теоретическое значение выходного напряжения, рассчитан по изменению свободной энергии).

Разность между теоретическим и реальным значениями выходного напряже­ния обусловлена рядом факторов:

3.1. Внутренне сопротивление топливного элемента, неизменно препятству­ющее перемещению электронов и движению ионов в электролите.

3.2. Скорость химической реакции, протекающей в ТЭ (кинетика химической реакции) ограничивает интенсивность образования свободных электро­нов, а значит, и силу генерируемого тока.

3.3. В результате нежелательных химических реакций в ТЭ возникает разность потенциалов, которая снижает выходное напряжение. Часть топлива мо­жет перетечь в часть, где протекают окислительные реакции (кроссовер топлива) — неприятность, особенно характерная для метанольных топ­ливных элементов.

4 Активная поверхность электрода в процессе работы ТЭ может уменьшиться.

Это может произойти по следующим причинам:

4.1. Избыточное количество воды может «затопить» электроды, препятствуя образованию мест одновременного контакта реагентов, электролита и электрода.

4.2. В топливных элементах с твердополимерным электролитом недостаточ­ная влажность, наоборот, может привести к «осушению» мембраны и увеличению сопротивления электролита движению ионов.

Неполное использование топлива (причина I), возникновение обратных токов (причина 2) и уменьшение активной поверхности электродов (причина 4) обус - ювлены преимущественно особенностями конструкции ТЭ, тогда как разность между теоретическим и практическим значениями напряжения (причина 3) яв - іяется неустранимой особенностью каждого отдельного топливного элемента. Мы обсудим эту проблему, изучая вольт-амперные характеристики топливных элементов.