Топливные элементы привлекают внимание в силу малой степени загрязнения окружающей среды и высокой (теоретической) производительности. Так как химическая энергия топлива прямо конвертируется в электричество, работа топливных элементов не подчиняется ограничению цикла Карно в отличие от двигателей внутреннего сгорания и тепловых двигателей.  Когда химическая энергия конвертируется в электрическую через тепло (при сжигании топлива), максимальный теоретический коэффициент полезного действия (КПД) ограничивается рабочей температурой:

Для топливных элементов теоретическое значение КПД может быть выражено среди многих альтернативных вариантов, в том числе и как соотношение между имеющейся химической энергией (изменение свободной энергии реакции топливного элемента DG) и наибольшей величиной тепла реакции топливного элемента (изменение энтальпии реакции топливного элемента DH).

В большом интервале температур  и мощностей топливные элементы имеют потенциально больший КПД, чем технологии на базе цикла Карно (смотри рисунки). Двигатели внутреннего сгорания и тепловые двигатели более подходят для работы в постоянных условиях, так как они имеют ограниченный диапазон максимальной мощности. За пределами этого диапазона КПД падает существенно. Топливные элементы имеют однако высокий КПД для большого интервала мощностей и температур и, следовательно, отлично подходят для работы в условиях циклической динамической нагрузки. Высокий КПД при очень низких нагрузках особенно ценен для практики.

Для понимания разницы между двумя типами технологии можно рассмотреть случай управления автомобилем. При движении на высокоскоростных трассах двигатель внутреннего сгорания работает в области высокого КПД, правая часть красной кривой. В условиях движения по городу автомобиль часто стартует и останавливается, что соответствует подъемам и падениям на левой части красной кривой. Это относится к хорошо известному факту, что движение в условиях города является более загрязняющим окружающую среду в силу низкого КПД. Следуя тому же примеру для случая топливного элемента (зеленая кривая), можно видеть, что топливный элемент имеет наивысший КПД уже при низких нагрузках. То есть топливный элемент обеспечивает более эффективную работу в условиях городского движения, но и при постоянных нагрузках он также достаточно эффективен.

Топливные элементы не всегда более эффективны для всех применений, чем тепловые двигатели/турбины. Для больших стационарных электростанций, в которых используются высокотемпературные топливные элементы (SOFC и MCFC), два обсуждаемых здесь типа технологий объединены вместе, дополняя друг друга. Избыточное тепло топливных элементов направляется в тепловую турбину, которая способна производить большую электрическую мощность. Потери в топливных элементах связаны с выходной мощностью. Чем больше тока выводится из топливного элемента, тем больше потери. Это можно видеть по падению напряжения на ячейке при возрастании тока от нуля (напряжение холостого хода). Типичная вольтамперная характеристика для водородного PEMFC показана на рисунке ниже.

Если бы в топливном элементе не было потерь вообще, напряжение на элементе поддерживалось бы на теоретическом уровне независимо от тока элемента. Значение идеального напряжения на элементе (E_rev) может быть рассчитано из имеющейся величины изменения свободной энергии DG.

где DG – свободная энергия Гиббса, n – число электронов, передаваемых в электрохимической реакции и F- константа Фарадея (94645 К/моль). E_rev  также зависит от условий эксперимента таких как температура, давление и концентрация реагентов. Разница между идеальным напряжением на ячейке и рабочим напряжением называется перенапряжением и представляет потери в топливном элементе. Отношение между теоретическим значением E_rev и действующим рабочим напряжением (E_cell) определяет более корректно КПД топливного элемента.

Потери в топливном элементе могут быть разделены на потери из-за кроссовера топлива и внутренних токов, активационные потери, омические потери и потери за счет транспорта масс. Потери за счет кроссовера топлива и внутренних токов возникают из-за потока топлива и электрического тока в электролите. Электролит должен проводить только ионный ток, однако потоки топлива и электронов также всегда существуют в электролите. Хотя потери связанные с кроссовером топлива и внутренними токами достаточно малы, тем не менее, они являются главной причиной того, что напряжение холостого хода (OCV) оказывается меньше теоретического значения (E_rev).

Активационные потери вызываются замедленностью реакций происходящих на поверхности электродов. Напряжение несколько падает из-за кинетики электрохимических реакций. Это можно видеть в левой части вольтамперной характеристики, приведенной выше.

Омические потери являются следствием наличия сопротивления току ионов в электролите и электронов непосредственно в элементе и в различных внешних соединениях. Соответствующее падение напряжения пропорционально плотности тока, отсюда и название «омические потери».

Потери, связанные с транспортом масс возникают из-за снижения концентрации реагентов у поверхности электродов, по мере того как происходит расходование топлива. При максимальном (лимитирующем) токе концентрация реагентов у поверхности катализатора практически равна нулю, так как реагенты расходуются моментально, как только они достигают этой поверхности.

К началу

Copyright © 2004-2005 Fuel Cell Norway ANS