Дипломная работа: Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії

Фізична частина повної внутрішньої енергії складається з кінетичної енергії поступового і обертального хаотичного руху молекул і залежить від температури тіла, а її хімічна частина становить з себе енергію молекулярних зв’язків, від температури не залежить і змінюється тільки при зміні хімічного складу робочого тіла.

Сумарна робота L_S хімічної реакції з механічної роботи L_{m е x} стиснення або розширення продуктів реакції і роботи, яка здійснюється проти електричних, магнітних і інших сил

L_S = L_{m е x} +L_ел . (3.3)

Тому як тиск і температура реакції, яка йде в паливному елементі, практично постійні (ізобарно-ізотермічний процес), то механічна робота може здійснюватися тільки за рахунок зміни кількості молей в реакції

, (3.4)

де Z – кількість молей речовини;

А – хімічний символ речовини.

Для такої реакції можливо записати в загальному вигляді вирази для механічної роботи L_мех і для змінювання повної внутрішньої енергії

; (3.5)

. (3.6)

Враховуючи ці вирази, можливо рівняння першого закону термодинаміки записати у виді

, (3.7)

де І_і =U_і +P_і V_і – повна ентальпія речовини, яка становить з себе суму повної внутрішньої енергії і енергії тиску при даному стані системи.

Враховуючи вирази (3.5 і 3.6 ) можливо ефективний ККД представити у вигляді

, (3.8)

де - ККД ідеального паливного елемента;

- ККД по напрузі;

- ККД по струму.

В загальному випадку ідеальний ККД паливного елемента може бути більш, менш або рівнятися одиниці.

Звичайно температура паливного елемента підтримується вище ніж температура навколишнього середовища (80-90°С) і h_ід <1.

Фізична сутність того, що h_ід >1, становить з себе те, що в паливному елементі в електричну енергію перетворюється не тільки хімічна енергія реагентів, але й частина теплоти навколишнього середовища.

ККД по напрузі h_u на режимах близьких до холостого ходу досягає значень близьких одиниці, а по мірі навантаження зменшується.

Він характеризує значення поляризаційних втрат, тобто падіння напруги на виході з паливного елемента через внутрішній опір.

ККД по струму досягає значень 0,95-0,98 і характеризує ефективність використання реагентів в паливному елементі, тобто зменшення струму із-за нерівності хімічних процесів.

Таким чином, ефективний ККД

. (3.9)

Для сучасних паливних елементів (в яких паливо – водень, а окислювач – кисень) значення ефективного ККД досягає 60-70%.

Таким чином, робота електричних сил L_ел в залежності від знака теплоти може бути менш, більш або дорівнюватися повній ентальпії у реакції

. (3.10)