Напруга паливних елементів є важливим параметром для нас. Від яких факторів залежить ця напруга, детальніше розглянемо на цій сторінці.
Енергія та електрорушійна сила (ЕМЕ) водневих паливних елементів
Для більшості виробників електроенергії ясно, яку форму енергії ми перетворюємо на електроенергію. Хорошим прикладом цього є вітрогенератор, де джерелом енергії явно є кінетична енергія молекул повітря.
Візуалізувати енергії в паливних елементах вже не так просто.
Фігура 1. Вхідні та вихідні енергії паливних елементів
Електричну потужність та вихідну електроенергію можна легко розрахувати, використовуючи такі відомі формули:
Однак енергії речовин, що беруть участь у хімічних реакціях, і продукту реакції вже неможливо розрахувати так просто, оскільки хімічні енергії H2, O2 та H2O сумнівні, тому такі терміни, як ентальпія, функція Гельмгольца та вільна енергія Гіббса використовуються.
Для паливних елементів ми будемо використовувати концепцію Гіббса про вільну енергію, яка визначається наступним чином: "Вільна енергія Гіббса - це залишкова енергія, яку можна використовувати для зовнішніх робіт на додаток до роботи, що виконується для зміни тиску та/або температури.У паливному елементі «зовнішня робота» означає передачу електронів зовнішньому споживачеві. Ентальпія - це енергія вільної енергії Гіббса плюс енергія ентропії.
Ця форма хімічної енергії порівнянна з потенційною енергією, відомою в механіці з двох важливих причин.
Перша причина полягає в тому, що точку нульової енергії можна визначити практично в будь-якому місці. При роботі з хімічними реакціями нульова енергетична точка визначається для чистих елементів у їх нормальному стані, при кімнатній температурі та при нормальному атмосферному тиску (25 ° C; 0,1 МПа). Визначаючи ці рівні енергії, ми використовуємо термін "вільне виробництво енергії Гібса" (Gf), а не "вільне виробництво енергії Гіббса". Для звичайного водневого паливного елемента, що працює при кімнатній температурі та нормальному атмосферному тиску, вхідні значення приймаються рівними нулю під час “вільного виробництва енергії Гіббса”.
Друга паралель з потенційною енергією полягає в тому, що для нас зміна енергії є надзвичайно важливою. Зміна утворення вільної енергії Гіббса в паливному елементі, тобто D Gf, є важливою, оскільки вона визначає енергію, що виділяється. Ця зміна є різницею між вільною енергією Гіббса продукту хімічної реакції та вільною енергією Гіббса вихідних матеріалів.
Щоб зробити порівняння ще простішим, суми обчислюють у молях. Це позначається малою літерою та верхнім рядком, наприклад (`gf) H2O - це величина вільного вироблення енергії Гіббса на моль води.
Розглянемо основну реакцію в паливному елементі:
що дорівнює
\ великий H_2 + \ frac O_2 \ праворуч H_2O
Продуктом реакції є один моль H2O, а вихідними речовинами є один моль H2 і половина моля O2. З цього можна зробити висновок, що:
\ large \ Delta \ overline< g >_f = (\ надбудова< g >_f) H_2O - (\ надбудова< g >_f) H_2 - \ frac (\ overline< g >_f) O_2
Це рівняння здається простим, але в той же час утворення Гіббса вільної енергії не постійний, це також залежить від температури та стану. У наступній таблиці наведені значення D` gf для водневих паливних елементів.