Ανάλυση της αποδοτικότητας παραγωγής κυψελών καυσίμου υδρογόνου

Κυψέλη καυσίμου υδρογόνουΟ κινητήρας είναι μια συσκευή παραγωγής ενέργειας που μετατρέπει άμεσα τη χημική ενέργεια του υδρογόνου και του οξυγόνου σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Αυτό το άρθρο θα ρίξει μια ματιά στην αποτελεσματικότητα της παραγωγής ενέργειας, τη θερμοδυναμική απόδοση κ.λπ.

Η απόδοση παραγωγής ενέργειας του συστήματος = αναστρέψιμη θερμοδυναμική απόδοση (94,53%, 25 ℃) × Ηλεκτροχημική απόδοση × Χρήση καυσίμου × Αποδοτικότητα του συστατικού συστήματος (εξαιρουμένης της απώλειας κάθε συστατικού υποσυστήματος):

(1) Αναστρέψιμη θερμοδυναμική απόδοση

Αντιπροσωπεύει τη μέγιστη τιμή της ενέργειας που παράγεται από την πλήρη αντίδραση των μορίων καυσίμου και των μορίων οξυγόνου που χρησιμοποιούνται για εργασία (πρέπει να ληφθούν υπόψη οι περιορισμοί του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής).

Η ηλεκτροχημική παραγωγή ενέργειας αντίδρασης βασίζεται ουσιαστικά στη μεταφορά φορτίου της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης. Η διαδικασία του αέριου νερού που μετατρέπεται σε υγρό νερό έχει ελάχιστη συμβολή. Επομένως, η παραγωγή ενέργειας υδρογόνου θα πρέπει να χρησιμοποιεί χαμηλή θερμιδική τιμή.

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής: είναι αδύνατο να γίνει ένας κυκλικός κινητήρας θερμότητας που παίρνει θερμότητα από μία μόνο πηγή θερμότητας και την μετατρέπει εντελώς στην εργασία χωρίς να προκαλεί άλλες αλλαγές (δήλωση Kelvin), δηλαδή είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί όλη η θερμότητα που απελευθερώνεται με την καύση 1 kg υδρογόνου και οξυγόνου (μετατρέποντας σε ηλεκτρική ενέργεια) χωρίς να προκαλεί αλλαγές. Αυτή η αλλαγή είναι θερμότητα που χαρακτηρίζεται από "εντροπία". Επομένως, κάθε συσκευή που χρησιμοποιεί χημική ενέργεια (καύσιμο) για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας έχει φυσική απόδοση μετατροπής ορίου. Για τα κύτταρα καυσίμου, η αναστρέψιμη απόδοση της θερμοδυναμικής παραγωγής ενέργειας είναι η υψηλότερη θεωρητική απόδοση παραγωγής ενέργειας που μπορεί να επιτύχει η κυψέλη καυσίμου. Σε θερμοκρασία δωματίου (25 ° C), θεωρητικά, 1kg υδρογόνου μπορεί να παράγει 500mol*241.8/3600kJ = 33,58 kWh ηλεκτρικής ενέργειας. σύμφωνα με την τρέχουσα μέγιστη ονομαστική απόδοση τουσύστημα κυψελών καυσίμουΥπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας (60%, συμπεριλαμβανομένης της αναστρέψιμης θερμοδυναμικής απόδοσης), στην πραγματικότητα, το 1kg υδρογόνου μπορεί να παράγει 500mol*241,8/3600*60%= 20,15 kWh ηλεκτρικής ενέργειας. 

(2) Η ηλεκτροχημική απόδοση υπάρχουν απώλειες στη διαδικασία ηλεκτροχημικής αντίδρασης, η οποία προέρχεται κυρίως από το φαινόμενο πόλωσης στη διαδικασία αντίδρασης, συμπεριλαμβανομένης της ohmic πόλωσης, της ηλεκτροχημικής πολωτικής ενεργοποίησης και της πόλωσης διάχυσης αερίου (πόλωση συγκέντρωσης). Η ηλεκτροχημική απόδοση είναι το κλειδί για τη μέτρηση του τεχνικού επιπέδου τουστοίβες κυψελών καυσίμου. 

(3) Ποσοστό χρήσης καυσίμου Το ποσοστό του καυσίμου που συμμετέχει στην αντίδραση. Ορισμένα κύτταρα καυσίμου μπορούν να ανακυκλώσουν το καύσιμο που έχει ρέει μέσω της στοίβας, αλλά δεν συμμετέχει στην αντίδραση μέσω μιας αντλίας κυκλοφορίας, οπότε ο ρυθμός χρησιμοποίησης θα είναι πολύ υψηλός, αλλά θα υπάρξουν επίσης απώλειες. Ορισμένα κύτταρα καυσίμου καίγονται το καύσιμο που δεν έχει συμμετάσχει στην αντίδραση και το εξάγεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, ο ρυθμός χρησιμοποίησης καυσίμου μπορεί να υπολογιστεί μόνο ως το ποσοστό συμμετοχής στην αντίδραση.

(4) Αποδοτικότητα του συστατικού συστήματος

Τα εξαρτήματα υποσυστήματος όπως η διαχείριση των υδάτων, η θερμική διαχείριση, η παροχή αερίου (υδρογόνο, αέρα) και η ηλεκτρική διαχείριση ελέγχου πρέπει να καταναλώνουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας (ηλεκτρική ενέργεια ή θερμότητα).

Εάν χρησιμοποιείται συμπαραγωγή, πρέπει να προστεθεί η αποτελεσματικότητα της θερμικής χρήσης, δηλαδή: Η απόδοση της συνολικής απόδοσης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας + του συστήματος + η αποτελεσματικότητα της θερμικής χρήσης.

Απόδοση θερμικής αξιοποίησης: Χρησιμοποιείται θερμική ενέργεια/ενέργεια καυσίμου εισόδου. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Μόνο το τμήμα που εξέρχεται προς τα έξω και δημιουργεί θερμικά οφέλη θεωρείται "θερμική ενέργεια που χρησιμοποιείται".

Για παράδειγμα, κοινά κύτταρα καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας - κύτταρα καυσίμου στερεού οξειδίου (Σοφό) και τα λιωμένα ανθρακικά κύτταρα καυσίμου (MCFC)-έχουν θερμοκρασία λειτουργίας μέχρι 600 ~ 1000 ℃ και τα καυσαέρια θα έχουν υψηλής ποιότητας θερμότητα απόβλητα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παροχή ζεστού νερού σε σπίτια, εμπορικές θέσεις, δημόσιες μονάδες, ψυχρή αλυσίδα, φρέσκα σούπερ μάρκετ και υψηλής θερμοκρασίας ατμού σε κέντρα δεδομένων.

Η συμπαραγωγή είναι συχνά μια δεξιότητα που έχουν μόνο κύτταρα καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας. Κοινά κύτταρα καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας, όπωςμεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίωνΤα κύτταρα καυσίμου (PEMFC) και τα κύτταρα αλκαλικού καυσίμου (AFC) έχουν σχετικά περιορισμένη ανάκτηση θερμότητας.