Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами

КПД топливных элементов

Основным критерием эффективности работы энергетического устройства является его КПД. На ТЭЦ вся тепловая энергия, полученная при сгорании топлива, равна изменению энтальпии в ходе реакций типа:

С + 02 = С02 или СтНп + (т + п / 4)02 = тС02 + п / 2Н20,

а весь процесс преобразования энергии идет по следующей условной схеме:

Химическая энергия топлива => Тепловая энергия =>

=> Механическая энергия => Электрическая энергия.

Теплота может быть преобразована в механическую энергию в лучшем случае с КПД цикла Карно:

КПД = (Т1 — Т2) / Т,,

где Т[ и Т2 — максимальная и минимальная температуры тепловой машины (рис. 2.5).

Реальные значения КПД этого процесса и того ниже.

Суммарные потери в целом будут достаточно велики, причем максимальные значения КПД современных тепловых электростанций (ТЭС) (<40 %) и самых совершенных газотурбинных установок (около 50 %) достигается лишь при высоких уровнях мощности, тогда как КПД, например, твердополимерного ТЭ, достигает максимальных значений уже при уровне мощности 1 — 10 кВт. В случае применения двигателей внутреннего сгорания на городском транспорте реаль-

кпд

Теоретический (максимальный) КПД цикла Карно (/) и водородно-кисло-

Рис. 2.5. Теоретический (максимальный) КПД цикла Карно (/) и водородно-кисло-

родного ТЭ (2) в зависимости от температуры

и °с

ный КПД, с учетом простоя в пробках, у светофоров, неоптимальной скорости движения ит. п., оказывается даже ниже 20 %, но остается практически постоянным для ТЭ.

Высокие значения КПД и низкая зависимость КПД от мощности обусловлены тем, что в ТЭ превращение энергии идет по крайне эффективной схеме:

Химическая энергия топлива => Электрическая энергия.

Отметим, что химические источники тока (ХИТ) принято подразделять на три основных класса:

  • • гальванические элементы — предполагающие однократное использование применяемых в них активных материалов;
  • • аккумуляторы — предназначенные для многократного применения, так как при их подключении после разряда к внешнему источнику тока происходит регенерация исходного состояния;
  • • топливные элементы.

Каждый из упомянутых выше типов ХИТ имеет свои достоинства и недостатки. Если речь идет об относительно низких уровнях мощности (до 0,5 кВт) и низкой энергоемкости (до 5 кВт ч), то гальванические элементы и аккумуляторы во многих областях применения имеют несомненные преимущества, хотя в ряде случаев ТЭ и здесь начинают с ними успешно конкурировать. Однако, как только мощность и энергоемкость возрастают на порядок, а массогабритные характеристики начинают играть существенную роль, на первое место выходят ТЭ благодаря сменяемости «топливных резервуаров».

Максимальный (теоретический) КПД ТЭ принято рассматривать как отношение максимальной полезной электрической работы, которую можно получить в устройстве, к тепловому эффекту токообразующей реакции при постоянном давлении. Это обусловлено необходимостью ходимостью корректно сравнивать КПД ТЭ с КПД тепловых энергетических установок, использующих теплоту горения топлива.

Мерой максимальной электрической работы является изменение энергии Гиббса

(2.1)

Дв = -пГЕ,

где Е — ЭДС;

п — число электронов, переносимых в системе в соответствии со стехиометрическим уравнением;

Е — постоянная Фарадея.

Для водородно-кислородного ТЭ (топливо — водород, окислитель — кислород) в соответствие с уравнением Нернста:

Е = Е° + (ЯТ/пЕ) 1п(р02 Рн2/рн2о)> (2-2)

где Е° = 1,229 В — стандартное значение ЭДС ТЭ, зависящее от температуры;

И. — универсальная газовая постоянная;

Т — температура;

Ро2, Рн2, Рн2о парциальные давления газов (фугитивности при больших давлениях).

Если вода присутствует в виде жидкой фазы, то в уравнение вместо парциального давления входит активность воды а Н20, (обычно 0,4—1) для используемых растворов.

Отсюда максимальный (теоретический) КПДТ при заданной температуре:

КПД, = Дв/ДН = 1 - ТДБ/ДН = -пЕЕ/ДН, (2.3)

где ДН, Д5 — изменения (2.2) энтальпии и энтропии, соответственно.

Отсюда следует, что при положительном значении ДБ реакции при производстве КПД < 1, и работа ТЭ сопровождается тепловыделением. При отрицательном значении АБ реакции формально КПД > 1, но при этом необходима подача дополнительной теплоты извне.

Значит, для ТЭ с различными видами топлива может существовать оптимальный интервал рабочих температур для обеспечения максимального КПД (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Стандартные ЭДС и теоретические КПД некоторых реакций в ТЭ

Реакция

П

Температура, К

300

600

900

1200

Е, В

кпд

Е, В

кпд

Е, В

кпд

Е, В

КПД

С + О2= СО2

4

1,02

1,00

1,02

1,00

1,02

1,01

1,02

1,01

2С + 02 = 2СО

4

0,70

1,25

0,84

1,5

0,98

1,75

1,12

2,00

2СО + 02 = 2СО

4

1,33

0,91

1,20

0,81

1,06

0,72

0,92

0,63

СН4 + 202 = С02 + 2Н20

8

1,04

1,00

1,04

1,00

1,04

1,00

1,04

1,00

2 + 02 = 2Н02

4

1,18

0,94

1,11

0,88

1,03

0,80

0,95

0,73

Примечание. Для удобства сравнения тепловой эффект реакций и ЭДС даны для случая образования воды в виде газа при всех температурах, п — количество электронов, участвующих в процессе.

При работе ТЭ отклонение от условий равновесия ведет к уменьшению разности потенциалов и на электродах по сравнению с равновесным значением, что обусловлено возникновением омического падения напряжения при прохождении тока через электролит и электронный проводник и смещением потенциалов электродов относительно равновесных значений перенапряжения г на электродах

Л = |Ер -Е|, (2.4)

где Ер — рабочий (практический) потенциал электрода.

Рабочее напряжение ТЭ:

и = Е - III - ра - рк = Е - Ж - (аа + Ьа1пД - (ак + Ьк1гу), (2.5)

где Г|а и Г|К — перенапряжения реакции на аноде и катоде;

I — ток в ТЭ;

] — удельная плотность тока, отнесенная к единице видимой поверхности электрода;

а и Ь — коэффициенты, зависящие от механизмов реакций, материалов электродов и температуры.

Отсюда

КПД = -при/АН = -пРи/(-пРЕтн) = и/Етн, (2.6)

где Етн — термонейтральное напряжение (термонейтральный потенциал) — напряжение ТЭ при температуре, при которой он мог бы работать без теплообмена с внешней средой;

Етн ~ 1,48 В для наиболее распространенных водородно-кисло-родных ТЭ при температуре ниже 100 °С и мало зависит от температуры.

Типичный вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) ТЭ представлен на рис. 2.6.

Вольт-амперная характеристика ТЭ на основе ТПЭ и зависимость удельной мощности N от плотности тока (катализатор Рі (40 % по массе) на саже, общий расход платины 0,35 мг/см)

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика ТЭ на основе ТПЭ и зависимость удельной мощности N от плотности тока (катализатор Рі (40 % по массе) на саже, общий расход платины 0,35 мг/см2)

Разность потенциалов в условиях разомкнутой цепи несколько меньше ЭДС, так как кислородный электрод с термодинамической точки зрения не является полностью обратимым, и, кроме того, при наличии жидкого, полимерного или расплавного электролита уменьшение разности потенциалов связано со взаимной диффузией газов и деполяризацией электродов. При малых поляризациях (область 1) вид ВАХ определяется в первую очередь кинетическими ограничениями. Далее следует линейный участок (область 2), где определяющую роль начинают играть омические потери, затем быстрый спад тока при возникновении ограничений по массопереносу (область 3).

Очевидно, что максимальные значения КПД реализуются при напряжении на ТЭ, близком к напряжению разомкнутой цепи и низкой мощности. В связи с большим значением массогабаритных характеристик ТЭ, например, при использовании на транспорте, и их высокой стоимостью удельная мощность зачастую становится более важным на практике параметром, чем КПД, и определяет выбор рабочей плотности тока. Именно этот фактор приводит к тому, что в настоящее обычно реализуются ТЭ с КПД = 40—50 %.

Следует также отметить, что КПД (батареи ТЭ) на 10—20 % выше, чем КПД энергоустановки на их основе с учетом энергопотребления на подготовку топлива, собственные нужды и т. п.

Таким образом, ТЭ обладают рядом уникальных достоинств — высоким КПД, экологической чистотой, бесшумностью в работе и т. д. Они (в частности, водно-щелочные и твердополимерные топливные элементы (ТПЭ)) уже достаточно широко применяются в космических аппаратах, на подводных лодках, однако до сих пор не нашли широкого применения в быту из-за высокой цены (пока более 2000 долл. США за 1 кВт установленной мощности), большого расхода металлов платиновой группы и в ряде случаев — недостаточного ресурса [13].

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы