第9章燃料电池

T p
′ Qrev < 0
电池放热， 电池放热，电池内反应物系焓 的减少量-h中一部分以热量形 的减少量 中一部分以热量形 8 式传给了外界。 式传给了外界。
四、燃料电池的有效效率
有效效率 ηe =
We H
电功 ，即实际产生的有用功 定压定温—反应物的焓差； 定压定温 反应物的焓差； 反应物的焓差 定容定温—反应物的热力学能差值 定容定温 反应物的热力学能差值
4
燃料电池工作原理 §9-2 燃料电池工作原理
一、工作原理
在阳极上
H 2 + 2OH → 2 H 2 O + 2e
在阴极上
总反应
1 H 2 O + O2 + 2e → 2OH 2
1 H 2 + O2 → H 2 O 2
反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差
Q = H + We
燃料电池反应热 燃料电池提供的电功
′ Qrev = H1 H 2 + T T′
电池从外界吸收热量，电池在 电池从外界吸收热量， 闭合的电回路中所完成有用功， 闭合的电回路中所完成有用功， 包括了电池内反应物系的-h， 包括了电池内反应物系的 ， 和外界传入的热量。 和外界传入的热量。 ② ε < 0 S <S 2 1
三、燃料电池的热量
幻灯片 11
Q′ ′ ( S 2 S1′) = – T′ 0 T ′ = To 因电池内过程可逆， 因电池内过程可逆，若外界与电池温度相等
取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（ 取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境 介质）为系统， 介质）为系统，则系统的总熵变为 环境介质的熵变化量 燃料电池的熵变化量
Wu ,max = ερ e
电动势 流过电池的电流密度
ερ e = G1 G2 = H1 H 2 + T ( S 2 S1 )
求导
( G1 G2 ) ε ρe = T T p p
幻灯片 16
ε ρ e = S2 S1 T p
S 2 S1 ε = ρe T p
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二、燃料电池的电动势基本方程式 假定:燃料电池内的反应 假定 燃料电池内的反应 反应热与有用功相比很小 ； 为室温下可逆定压反应 据自由焓的概念，系统在初终态间完成最大有用功量
Wu ,max = G1 G2 = H1 H 2 T ( S1 S2 )
G = S T p 燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功
§9-3 燃料电池熵产率
一、影响实际燃料电池性能的因素
1、燃料必须输运至与电解质液体接触的电极表面。在电极表 燃料必须输运至与电解质液体接触的电极表面。 面所发生的扩散过程是十分复杂的，涉及到多种损失。 面所发生的扩散过程是十分复杂的，涉及到多种损失。 2、燃料电池内的反应物在反应后必须离开其各自电极，这时 燃料电池内的反应物在反应后必须离开其各自电极， 将发生复杂的扩散过程，且产生多种损失。 将发生复杂的扩散过程，且产生多种损失。 燃料电池内在电极上进行的反应，一般在固体（电极）、 3、燃料电池内在电极上进行的反应，一般在固体（电极）、 液体（电解液）和气体（燃料组分）三相分界面上进行， 液体（电解液）和气体（燃料组分）三相分界面上进行， 应设计合理的电极结构，提供稳定的三相反应界面。 应设计合理的电极结构，提供稳定的三相反应界面。 电解质液体中须有适当的离子载体。另外， 4、电解质液体中须有适当的离子载体。另外，要求电解液不 腐蚀电极，且不使氧气或燃料溶解其中。 腐蚀电极，且不使氧气或燃料溶解其中。 电极性能直接影响到其表面电子迁移的性能，因此， 5、电极性能直接影响到其表面电子迁移的性能，因此，选择 优良传导性的电极有举足轻重影响。 优良传导性的电极有举足轻重影响。
′ S = ( S 2 S1 ) + ( S 2 S1′ )
外界环境温度7
′ ( S 2 S1 ) + ( S2 S1′) = S = 0
′ ( S2 S1′) =
′ ( S2 S1′) = ( S 2 S1 )
Q′ ε = rev S 2 S1 = ρe T′ T p
第九章 燃 料 电 池
1
§9-1 概 述
燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置, 燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置, 它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能， 它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水 火电和核电之后的第四种发电系统。 电、火电和核电之后的第四种发电系统。
特性
ε ερe = H1 H 2 + T ρe T p
′ Qrev S 2 S1 = T′
Q' T'
ρe
ε = S2 S1 T p
燃料电池与环境交换热量： 燃料电池与环境交换热量：
ε ① >0 T p
S2＞S1
′ Qrev > 0
Wu ,max = ερ e = H1 H 2 + T ( S 2 S1 )
Wu ,max U e J = H ε J = η tηVηi t
燃料电池相对内效率， 燃料电池相对内效率，又称 U 为电池电压效率， ηV = e 为电池电压效率，与燃料电 ε 池工作不可逆程度有关，当 池工作不可逆程度有关， 过程完全可逆时=1 =1； 过程完全可逆时=1；
J ηi = Jt
电池电流效率， 电池电流效率，其原因在于 反应物的非电化学分解以及 9 反应的机械损失等
燃料电池热效率
Wu ,max = H T ( S1 S2 )
ηt =
Wu,max H
Wu ,max H T ( S 1 S2 ) H
若全部过程为可逆
S 2 S1 = ′ Qrev T
ηt ） rev > 0 燃料电池从外界吸热 η t > 1 ′ Qrev < 0 燃料电池向外界放热 η t < 1
效率高 能量转化可高达80 80% 其中电能40 %、热能40 %（ 能量转化可高达80%，其中电能40 %、热能40 %（火力 发电热效率35 35~47 左右，热电厂能量效率60 60~70 发电热效率35 47 % 左右，热电厂能量效率60 70 % ） 污染小 燃料电池一般仅排出水和二氧化碳; 燃料电池一般仅排出水和二氧化碳 燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前， 燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前， 100~200kW级燃料电池运行噪音为 级燃料电池运行噪音为65db，比室内风扇 级燃料电池运行噪音为 ， 汽油机工作时噪音高达100db）； 小，汽油机工作时噪音高达 ）； 2 红外信号 弱。
输出性能好 在额定功率以上或以下运行时均能接受， 在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时 能作出快速响应。 能作出快速响应。
发展简史
1889年英国威廉格罗夫（Grov）发明燃料电池，点 1889年英国威廉 格罗夫 Grov）发明燃料电池， 年英国威廉 格罗夫（ 燃伦敦讲演厅的照明灯； 燃伦敦讲演厅的照明灯； 1889年Mood和Langer首先采用“燃料电池”的名称， 1889年Mood和Langer首先采用 燃料电池”的名称， 首先采用“ 并 获得200 200mA/m 获得200mA/m2; 发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动 力学的研究未能跟上， 力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟 了近1个世纪； 了近1个世纪； 20世纪50年代燃料电池研究取得实质性进展， 20世纪50年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大 世纪50年代燃料电池研究取得实质性进展 学的Bacon用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料 学的Bacon用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料 Bacon 3 电池； 电池；
Wu,max H
燃料电池有效效率
电池理论最大有用功
Wu ,max = ερ e = ε J t τ
ηt =
实际有用功量 理论电流
We = U e J τ
燃料电池热效率， 燃料电池热效率，在燃料电 池进行可逆反应时即是电池 总效率
工作电池的端电压
Wu ,max We Wu,max U e J τ ηe = = H ε J τ H Wu ,max t
e
H
H
五、燃料电池热效率与温度的关系
T=Tm
电动势达极大值 ε max = ε = 0 据基本方程 幻灯片 7 T p
H 1 H 2
ρe
等熵 S S ε = 2 1 =0 据 T ρe p 幻灯片 6
′ Qrev = 0
ηt = 1
ε ′ > 0，Qrev > 0，η t > 1 T p
幻灯片 11
6
ερ e = G1 G2 = H1 H 2 + T ( S 2 S1 )
ε ρ e = S2 S1 T p
ερe = H1 H 2 + T ρe
ε T p
2004-11-20 H H2 ε ε= 1 +T 燃料电动势的基本方程式 ρe T p
ε ′ < 0 Qrev < 0 η t < 1 T p
T <Tm < T>Tm
燃料电池热效率 和电动势都随温度 而变； 而变； 都有极大值点
结论： 电动势达最大值， 结论： T=Tm，电动势达最大值，
但其热效率并未达最大值； 但其热效率并未达最大值； T<Tm，热效率才能达到最 大值。 大值。 11
实际燃料电池由于存在着迁移、扩散等过程， 实际燃料电池由于存在着迁移、扩散等过程，电化学 反应以及传热温差等不可逆因素， 反应以及传热温差等不可逆因素，实际燃料电池的热力 12 过程是不可逆过程。 过程是不可逆过程。
二、燃料电池熵产率
假设： 假设： （1）稳定工况 ； 忽略流体动能和位能的变化； （2）忽略流体动能和位能的变化； 电池工作温度T>T 为环境温度）； （3）电池工作温度T>To（To为环境温度）； 电池内进行等温等压完全化学反应； （4）电池内进行等温等压完全化学反应； 忽略浓度差极化过电位，只考虑电极的电化学极化， （5）忽略浓度差极化过电位，只考虑电极的电化学极化， Tafel公式 公式， 由Tafel公式，阴极和阳极过电位