效率與燃料電池電壓課件

Chapter2燃料電池的開迴路電壓及效率2.1氫燃料電池的能量及電子移動力2.2燃料電池的開迴路電壓2.3燃料電池的效能極限2.4效率與燃料電池電壓2.5壓力與氣體濃度之影響2.5.1Nernst方程式2.5.2氫的分壓2.5.3燃料與氧化劑的使用2.5.4系統(tǒng)壓力2.5.5應(yīng)用-血液中酒精濃度的測試2.6總結(jié)12.1氫燃料電池的能量及電子移動力12.1氫燃料電池的能量及電子移動力有許多的動力裝置是將動能、化學(xué)能、熱能等轉(zhuǎn)換成所要的電能，像下圖的風(fēng)力裝置就是一個例子。22.1氫燃料電池的能量及電子移動力有許多的動力裝置是以上圖為例，燃料電池的作功狀況如上，燃料進(jìn)入電池行化學(xué)反應(yīng)，然後電池輸出功、廢熱、水。3以上圖為例，燃料電池的作功狀況如上，燃料進(jìn)入電池行化學(xué)反應(yīng)，Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學(xué)能，採用Gibbsfreeenergy(吉柏自由能)：

GibbsFunction:G=H-TSH:enthalpyS:entropyT:Temperature(°C)

4Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學(xué)能，採在定義化學(xué)能時有兩項須注意的地方：

1.首先先定義一個化學(xué)能為零點(diǎn)的地方，這樣才方便作位能的比較。2.計算兩種狀態(tài)下的化學(xué)位能差，像化學(xué)反應(yīng)前後的位能差即是我們想要得知的，因?yàn)樗玫奈荒芸赊D(zhuǎn)換成想要的電能。反應(yīng)後的吉柏自由能反應(yīng)前的吉柏自由能5在定義化學(xué)能時有兩項須注意的地方：反應(yīng)後的吉柏自由能反應(yīng)前以氫氧燃料電池為例，因?yàn)橐潭óa(chǎn)物為1莫耳，所以化學(xué)式如下：生成的化學(xué)能以吉柏自由能表示如下：6以氫氧燃料電池為例，因?yàn)橐潭óa(chǎn)物為1莫耳，所以化學(xué)式如下：下圖表示不同溫度及狀態(tài)的吉柏自由能吉柏自由能的值為負(fù)表示是放出能量7下圖表示不同溫度及狀態(tài)的吉柏自由能吉柏自由能的值為負(fù)表示是放Avogadro’snumber(亞佛加厥數(shù))andFaradayConstant(法拉第常數(shù))Avogadro’snumber=N=Faradayconstant=N*e=96485coulombse(achargeofelectrons)=8Avogadro’snumber(亞佛加厥數(shù))andF以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應(yīng)式：

放出兩個電子可變成電能，而放出電子所帶電量為：N：亞佛加厥數(shù)，表示1莫耳物質(zhì)所帶有的分子數(shù)。e：一個電子所帶電量。F：法拉第常數(shù)，其值為96485或96500。9以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應(yīng)式：放出兩個電子由上式知道轉(zhuǎn)換得到的電功為：

所以化學(xué)位能差等於轉(zhuǎn)換的電功(在可逆情況下)上式作移項得：

10由上式知道轉(zhuǎn)換得到的電功為：所以化學(xué)位能差等於轉(zhuǎn)換的電功(說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回運(yùn)動不停止，這是因?yàn)闆]有摩擦力和重力的阻抗。而不可逆過程中，球運(yùn)動一段時間即停止，這是因?yàn)橛型饬Φ淖杩埂?/p>

11說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回2.2燃料電池的開迴路電壓由上一節(jié)可知，氫氧燃料電池在可逆情況下的電壓值為其中分母的2表示反應(yīng)放出的電子數(shù)，在氫氧燃料電池反應(yīng)中是放出2個電子。因此得到以下的通式Z為反應(yīng)中所放出的電子數(shù)。122.2燃料電池的開迴路電壓由上一節(jié)可知，氫氧燃料電池在可逆用以下兩個化學(xué)反應(yīng)作例子13用以下兩個化學(xué)反應(yīng)作例子132.3燃料電池的效能極限舉例像風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大工作效率Efficiency=0.58*kineticenergyofthewind0.58isknownasthe“BetzCoefficient”.在可逆情況下，作功的效率都是100%，不過真實(shí)情況時的工作效率，才是我們想要知道的，所以本節(jié)就是探討燃料電池在真實(shí)情況的工作效率。142.3燃料電池的效能極限舉例像風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大工作效率在可接下來描述熱機(jī)效率我們用卡諾循環(huán)(Carnotcycle)來作描述，其式子如下：

=從低溫?zé)岢貍鞒龅臒崃?傳至高溫?zé)岢氐臒崃慷鲜娇勺龊喕?，?dāng)作是在描述一個卡諾熱機(jī)的效率：=高溫?zé)岢氐臏囟?低溫?zé)岢氐臏囟?5接下來描述熱機(jī)效率我們用卡諾循環(huán)(Carnotcycle)溫度對作功效率的影響16溫度對作功效率的影響162.4效率與燃料電池電壓…..由前面已知，燃料電池的電動勢為：若氫燃料所有的能量，即形成的焓，都轉(zhuǎn)變成電能，則電動勢為：E=1.48forHHVE=1.25forLHV此E的值為效率100%的系統(tǒng)所得的電壓值172.4效率與燃料電池電壓…..由前面已知，燃料電池的電動勢HHV和LHV的說明：HHV：

當(dāng)產(chǎn)物中的水為液相時，熱值(即為焓)稱為高熱值。(HighHeatValue，HHV)LHV：當(dāng)產(chǎn)物中的水為氣相時，熱值(即為焓)稱為低熱值。(LowHeatValue，LHV)18HHV和LHV的說明：182.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實(shí)際效率：CellEfficiencyforHHV：燃料電池的實(shí)際電壓然而，並非所有輸入的燃料都會被完全使用，所以反應(yīng)的燃料質(zhì)量/輸入的燃料質(zhì)量forHHVforLHV192.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實(shí)際效率：Cell2.5壓力與氣體濃度之影響2.5.1Nernst方程式………………由前面已知，Gibbsfreeenergychange()除了會受到溫度的影響，同時也會受到反應(yīng)壓力與濃度的影響，本節(jié)以Nernst方程式來說明壓力和濃度對電池性能的影響。

假設(shè)一反應(yīng)方程式為：

表示反應(yīng)的活性為202.5壓力與氣體濃度之影響由前面已知，Gibbs對於氫燃料電池而言，其全反應(yīng)為：表示水的活性為所以表示全反應(yīng)的Gibbsfreeenergy為：

21對於氫燃料電池而言，其全反應(yīng)為：表示水的活性為所以表示全反應(yīng)上式等於：

轉(zhuǎn)換成電壓值：

在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，每莫耳Gibbsfreeenergy的變化。22上式等於：轉(zhuǎn)換成電壓值：在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，每莫耳Gibbs由於：在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的電動勢。：標(biāo)準(zhǔn)壓力=0.1MPa=1bar。23由於：在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的電動勢。：標(biāo)準(zhǔn)壓力=0.1MPa=1b若以濃度來表示：假設(shè)系統(tǒng)壓力是，則是常數(shù)，決定於H2,O2,H2O的莫耳質(zhì)量和濃度。24若以濃度來表示：假設(shè)系統(tǒng)壓力是，則是常數(shù)，決定於H2如果氫的分壓由P1→P2bar，其餘分壓皆不變，則2.5.2氫的分壓25如果氫的分壓由P1→P2bar，其餘分壓皆不變，則2.電池效率要高→燃料有效使用率要高。2.5.3燃料與氧化劑的使用26電池效率要高→燃料有效使用率要高。2.5.4系統(tǒng)壓力如果系統(tǒng)壓力由P1→P2bar，其餘分壓皆不變，則272.5.4系統(tǒng)壓力如果系統(tǒng)壓力由P1→P2bar，2.5.5應(yīng)用-血液中酒精濃度的測試由Nernst方程式知，電池的電壓會受到反應(yīng)物(此應(yīng)用為酒精)濃度的影響，因此目前此種燃料電池廣被全世界之警察用於測試酒精濃度。282.5.5應(yīng)用-血液中酒精濃度的測試由Nernst方程式2.6總結(jié)…..○氫燃料電池的可逆開路電壓：○一般而言，每分子燃料反應(yīng)有z個電子傳遞，則可逆開路電壓：○最大效率：○氫燃料電池的工作效率：forHHV292.6總結(jié)…..○氫燃料電池的可逆開路電壓：○一般而言，○對於氫燃料電池而言，其電動勢-以Nernst方程式表示：：在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的電動勢。30○對於氫燃料電池而言，其電動勢-以Nernst方程式表示：：Chapter2燃料電池的開迴路電壓及效率2.1氫燃料電池的能量及電子移動力2.2燃料電池的開迴路電壓2.3燃料電池的效能極限2.4效率與燃料電池電壓2.5壓力與氣體濃度之影響2.5.1Nernst方程式2.5.2氫的分壓2.5.3燃料與氧化劑的使用2.5.4系統(tǒng)壓力2.5.5應(yīng)用-血液中酒精濃度的測試2.6總結(jié)312.1氫燃料電池的能量及電子移動力12.1氫燃料電池的能量及電子移動力有許多的動力裝置是將動能、化學(xué)能、熱能等轉(zhuǎn)換成所要的電能，像下圖的風(fēng)力裝置就是一個例子。322.1氫燃料電池的能量及電子移動力有許多的動力裝置是以上圖為例，燃料電池的作功狀況如上，燃料進(jìn)入電池行化學(xué)反應(yīng)，然後電池輸出功、廢熱、水。33以上圖為例，燃料電池的作功狀況如上，燃料進(jìn)入電池行化學(xué)反應(yīng)，Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學(xué)能，採用Gibbsfreeenergy(吉柏自由能)：

GibbsFunction:G=H-TSH:enthalpyS:entropyT:Temperature(°C)

34Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學(xué)能，採在定義化學(xué)能時有兩項須注意的地方：

1.首先先定義一個化學(xué)能為零點(diǎn)的地方，這樣才方便作位能的比較。2.計算兩種狀態(tài)下的化學(xué)位能差，像化學(xué)反應(yīng)前後的位能差即是我們想要得知的，因?yàn)樗玫奈荒芸赊D(zhuǎn)換成想要的電能。反應(yīng)後的吉柏自由能反應(yīng)前的吉柏自由能35在定義化學(xué)能時有兩項須注意的地方：反應(yīng)後的吉柏自由能反應(yīng)前以氫氧燃料電池為例，因?yàn)橐潭óa(chǎn)物為1莫耳，所以化學(xué)式如下：生成的化學(xué)能以吉柏自由能表示如下：36以氫氧燃料電池為例，因?yàn)橐潭óa(chǎn)物為1莫耳，所以化學(xué)式如下：下圖表示不同溫度及狀態(tài)的吉柏自由能吉柏自由能的值為負(fù)表示是放出能量37下圖表示不同溫度及狀態(tài)的吉柏自由能吉柏自由能的值為負(fù)表示是放Avogadro’snumber(亞佛加厥數(shù))andFaradayConstant(法拉第常數(shù))Avogadro’snumber=N=Faradayconstant=N*e=96485coulombse(achargeofelectrons)=38Avogadro’snumber(亞佛加厥數(shù))andF以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應(yīng)式：

放出兩個電子可變成電能，而放出電子所帶電量為：N：亞佛加厥數(shù)，表示1莫耳物質(zhì)所帶有的分子數(shù)。e：一個電子所帶電量。F：法拉第常數(shù)，其值為96485或96500。39以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應(yīng)式：放出兩個電子由上式知道轉(zhuǎn)換得到的電功為：

所以化學(xué)位能差等於轉(zhuǎn)換的電功(在可逆情況下)上式作移項得：

40由上式知道轉(zhuǎn)換得到的電功為：所以化學(xué)位能差等於轉(zhuǎn)換的電功(說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回運(yùn)動不停止，這是因?yàn)闆]有摩擦力和重力的阻抗。而不可逆過程中，球運(yùn)動一段時間即停止，這是因?yàn)橛型饬Φ淖杩埂?/p>

41說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回2.2燃料電池的開迴路電壓由上一節(jié)可知，氫氧燃料電池在可逆情況下的電壓值為其中分母的2表示反應(yīng)放出的電子數(shù)，在氫氧燃料電池反應(yīng)中是放出2個電子。因此得到以下的通式Z為反應(yīng)中所放出的電子數(shù)。422.2燃料電池的開迴路電壓由上一節(jié)可知，氫氧燃料電池在可逆用以下兩個化學(xué)反應(yīng)作例子43用以下兩個化學(xué)反應(yīng)作例子132.3燃料電池的效能極限舉例像風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大工作效率Efficiency=0.58*kineticenergyofthewind0.58isknownasthe“BetzCoefficient”.在可逆情況下，作功的效率都是100%，不過真實(shí)情況時的工作效率，才是我們想要知道的，所以本節(jié)就是探討燃料電池在真實(shí)情況的工作效率。442.3燃料電池的效能極限舉例像風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大工作效率在可接下來描述熱機(jī)效率我們用卡諾循環(huán)(Carnotcycle)來作描述，其式子如下：

=從低溫?zé)岢貍鞒龅臒崃?傳至高溫?zé)岢氐臒崃慷鲜娇勺龊喕?，?dāng)作是在描述一個卡諾熱機(jī)的效率：=高溫?zé)岢氐臏囟?低溫?zé)岢氐臏囟?5接下來描述熱機(jī)效率我們用卡諾循環(huán)(Carnotcycle)溫度對作功效率的影響46溫度對作功效率的影響162.4效率與燃料電池電壓…..由前面已知，燃料電池的電動勢為：若氫燃料所有的能量，即形成的焓，都轉(zhuǎn)變成電能，則電動勢為：E=1.48forHHVE=1.25forLHV此E的值為效率100%的系統(tǒng)所得的電壓值472.4效率與燃料電池電壓…..由前面已知，燃料電池的電動勢HHV和LHV的說明：HHV：

當(dāng)產(chǎn)物中的水為液相時，熱值(即為焓)稱為高熱值。(HighHeatValue，HHV)LHV：當(dāng)產(chǎn)物中的水為氣相時，熱值(即為焓)稱為低熱值。(LowHeatValue，LHV)48HHV和LHV的說明：182.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實(shí)際效率：CellEfficiencyforHHV：燃料電池的實(shí)際電壓然而，並非所有輸入的燃料都會被完全使用，所以反應(yīng)的燃料質(zhì)量/輸入的燃料質(zhì)量forHHVforLHV492.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實(shí)際效率：Cell2.5壓力與氣體濃度之影響2.5.1Nernst方程式………………由前面已知，Gibbsfreeenergychange()除了會受到溫度的影響，同時也會受到反應(yīng)壓力與濃度的影響，本節(jié)以Nernst方程式來說明壓力和濃度對電池性能的影響。

假設(shè)一反應(yīng)方程式為：

表示反應(yīng)的活性為502.5壓力與氣體濃度之影響由前面已知，Gibbs對於氫燃料電池而言，其全反應(yīng)為：表示水的活性為所以表示全反應(yīng)的Gibbsfreeenergy為：

51對於氫燃料電池而言，其全反應(yīng)為：表示水的活性為所以表示全反應(yīng)上式等於：

轉(zhuǎn)換成電壓值：

在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，每莫耳Gibbsfreeenergy的變化。52上式等於：轉(zhuǎn)換成電壓值：在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，每莫