氢氧燃料电池的工作原理和熵分析方法

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1、燃料电池的爛分析方法摘要：本文主要对高于室温条件下的盘氧燃料电池的工作原理进行了介绍，同吋对燃料电池的嬌分析方法进行了介绍，给出了高于室温下条件下的燃料电池的爛产率与最佳工作温度的表达式。前吕燃料电池借助于电池内的化学反应，直接将化学能转换为电能，是一种高效率、无污染的能量转换装置［1］。随着自然界资源的日益缺乏和人们环保意识的提高，21世纪燃料电池将得到进一步的重视和发展。20世纪50年代，燃料屯池的研究取得实质性的进展，60年代美国成功地应用氢氧燃料电池为“双子星座”和“阿波罗”飞船提供电力，80年代开始各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通

2、等各个领域中开始广泛应用。燃料电池能将化学能不经过热能这一中间过渡的能量形式直接转换为电能，从而避免了产生的嫡增的过程，其转换效率可不受卡诺循环效率的限制［2］。燃料电池类似于电池或者电解质电池，但它与通常的电池有所不同，可以连续向电池供应反应物，因此，燃料电池就能连续运行。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排岀反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定［3］。木文将对参考文献进行总结整理，对于氢•氧燃料电池的基木工作原理进行介绍,并对对燃料电池的热效

3、率与嫡分析进行介绍。1燃料电池工作原理"燃料电池的基本反应入【1考虑最简单的氢氧燃料电池，氢是燃料。如图1所示，两个电极都是由多孔材料构成，能允许气体通过，在该电池阳极处，氢与电解质反应生成出0和电子，载电体是0H•离子，氢、氧分别供应“阳极”及“阴极。化学反应式如下：阳极：H2+20H一T2H2O+2e~(1)阴极：H2O+^O2+2e~T20H~(2)总反应：1H?H—。2tHqO(3)2向燃料电池供给氢与氧，而燃料电池输出电功、热量与水：Q=△//+%(4)式中，为反应物与牛成物在经过燃料电池时的总焙差；％为燃料电池提供的电功；Q为燃料电

4、池反应热。4.2燃料电池的电动势假设在闭合的电路中电流很小，反应热与有用功相比很小，且无其他不可逆因素，可近似认为燃料电池工作过程是可逆过程。在41■时间内，燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功Wu）max｛即电功），等于电动势£与流过电池的点亮血的乘积^u,max=EPe（5）假定过程为室温定压反应，根据吉布斯白由熔的概念，系统在初终态间完成的最人有用功量为：^u.max=£Pe=G1_C2=H-H?+T©-SJ（6）将上式在等压条件下对T求导，得：Pe（＜=I呼1厂$2-久（7）将式（7）带入式（6）中得：^u.max=£Pe=-H2

5、+Tpe僚）#⑻"譽+佝⑼式（9）即为电池的电动势。1.3燃料电池的热量取燃料电池与环境为系统，则总嫡变为：AS*=（S2一S』+&一S/）（10）式中，①‘-S『）为外界的惰变量;0-SJ为燃料电池的的惰变量。设外界环境向电池的传热量为0,则环境介质的炳变量为：（SJ_SC=_鲁（11）式中，r=T0为外界环境温度。若整个过程是可逆的，外界与电池的温度相等，则0—Si)=一宓—S()(12)(13)AS*=0,即：S2_S严色丛^u,max-EPe=Gr-G2=-H2+T（^~）（14）由上面的讨论可知：（1）如果电池中进行全部过程都是可逆过

6、程，则导数（罟）戸决定于单位电荷流过电池时电池于环境交换得热量。（2）燃料电池于环境交换得热量和（算）p有关：①如果（等）p>°（即则Q‘>0,表示可逆屯池从外界吸收热量。此时,电池内焙值减小，爛减小。②如果僚）pVO（即S2VS）则0VO,表示可逆电池向外界释放热量。此时,电池内焙值减小，爛增加。4.4燃料电池的有效效率燃料电池的有效效率一般指:=竺—-AH(15)式中，％为电功，-AH=-笑为燃料电池的反应物的焰&于牛成物的焰兄之差。锂电池理论最大有用功为：(16)(17)^u.max=Se=弘山式中，厶为燃料电池单位工作表面积的理论电流。

7、而实际有用功量为:144=UeIAr式中，/为工作电池的端电压；/为燃料电池单位工作表面积实际输出电流，故有：_wufmax%_wufmaxUe^T_nnn/4o入-如-£0-财m（18）式中％=等产为燃料电池热效率；T1V=7为燃料电池相对内效率，又称为屯池屯压效率，当电池完全可逆时，T1^=1；m=£称为电池电流效率，由于非电化学分解以及反应的机械损失等原因，造成n；

8、>0，则电池从外界吸热，此吋％>1，表示燃料电池的热效率不受卡诺循环效率的限制；当Qrev<0时，热量从燃料电池传给外界，此时Tlt