Urządzenia bezpośredniej przemiany energii ... - Energetyka

Oblicza się je ze wzoru:
U = E – (U a
+ U k
+ ∆U R
) (2)
gdzie:
E – siła elektromotoryczna ogniwa,
U a
– polaryzacja anody,
U k
– polaryzacja katody,
∆U R
– spadek napięcia na oporze wewnętrznym
elektrolitu.
Polaryzacja elektrody polega na zmianie jej potencjału
w czasie przewodzenia prądu w porównaniu
ze stanem bezprądowym. Może ona być wywołana
zmianą stężenia jonów w przestrzeni przyelektrodowej,
pojawieniem się produktów wtórnych reakcji
przyelektrodowych, zmierzających do zmiany biegunowości
źródła itp. W celu zmniejszenia ujemnych
skutków polaryzacji stosuje się specjalne substancje
chemiczne, zwane depolaryzatorami, np. braunsztyn
MnO 2
.
Sprawność termiczną idealnego procesu elektrochemicznego
określa wzór:
gdzie:
∆G – zmiana potencjału termodynamicznego (przyrost
entalpii swobodnej Gibbsa),
∆I – zmiana entalpii równa ciepłu reakcji (przyrost
energii swobodnej Helmholtza).
Zmianę potencjału termodynamicznego ∆G,
równą maksymalnej pracy użytecznej, jaka może
być uzyskana w reakcji chemicznej, zachodzącej
w stałej temperaturze i przy stałym ciśnieniu, określa
wzór:
gdzie:
T – temperatura bezwzględna, w której zachodzi
reakcja,
∆S – przyrost entropii substancji w wyniku reakcji.
W związku z powyższym wzór na sprawność termiczną
można przekształcić do postaci:
(3)
(4)
(5)
W tabeli 1 zestawiono dane termodynamiczne
niektórych reakcji chemicznych, ważnych dla ogniw
paliwowych. Wartości podane w tablicy odnoszą się do
tzw. warunków standardowych, określonych temperaturą
T = 298 K (25°C) i ciśnieniem p = 0,1 MPa. Podano
również teoretyczną wartość siły elektromotorycznej
pojedynczego ogniwa, w którym realizowana jest
odpowiednia reakcja.
Dla większości reakcji zmiana entropii jest bardzo
mała w porównaniu ze zmianą entalpii, co wpływa
na duże wartości sprawności termicznej.
Ze wzoru (5) wynika, że teoretyczna sprawność
termiczna ogniwa, w którym zachodzi reakcja o dodatniej
zmianie entropii, może być nawet większa
od 100%. Ten pozorny paradoks wytłumaczyć można
następująco. Iloczyn T · ∆S oznacza ilość ciepła wymienianego
z otoczeniem. W przypadku dodatniej
jego wartości ciepło jest pobierane z otoczenia i w pracę
jest przetwarzana nie tylko energia chemiczna
paliwa, ale i ciepło pobrane z zewnątrz.
Sprawność termiczna ogniwa paliwowego zależy
od temperatury, w której zachodzi reakcja. Wynika to
nie tylko ze wzoru (5), ale również z tego, że wartości
∆G i ∆I są funkcjami temperatury. Dla większości paliw
sprawność termiczna ogniwa maleje ze wzrostem
temperatury (np. H 2
, CO), dla niektórych jest prawie
stała (C, CH 4
).
Podwyższenie temperatury zwiększa intensywność
zachodzących reakcji, co w niektórych przypadkach
ma istotne znaczenie ze względu na możliwość
uzyskiwania odpowiednich mocy elektrycznych
ogniw. Dzieje się tak np. w ogniwie zasilanym węglem.
Sprawności rzeczywistych ogniw są mniejsze od
omówionych wyżej wartości teoretycznych, co jest
powodowane m.in. polaryzacją elektrod, stratami
substancji czynnych, ubocznymi reakcjami chemicznymi
itp. Uwzględnia się to przez wprowadzenie
sprawności elektrochemicznej η e
. W związku z powyższym
sprawność ogólną ogniwa η o
określa się
wzorem:
gdzie:
η t
– sprawność termiczna;
η e
– sprawność elektrochemiczna, η e
= 0,3–0,75.
(6)
Charakterystyka termodynamiczna niektórych reakcji chemicznych [3, 5]
Tabela 1
Substancja
Reakcja z tlenem
∆g ∆i ∆s E η t
kJ/mol kJ/mol kJ/(mol · K) V %
Wodór 2H 2
+ O 2
→ 2H 2
O -236 -286 -0,1638 1,23 83,0
Metanol 2CH 3
OH + 3O 2
→ 2CO 2
+ 4H 2
O -697 -720 -0,0695 1,20 97,1
Hydrazyna N 2
H 4
+ O 2
→ N 2
+ 2H 2
O -603 -607 -0,0126 1,56 99,4
Węgiel C + O 2
→ CO 2
-395 -394 +0,0029 1,38 100,2
strona 578 (54)
www.e-energetyka.pl
sierpień 2006