Выходное напряжение обратимого топливного элемента, пода­ваемое на нагрузку, VL = Кобр и не зависит от силы генерируемого тока. Вольт - ■мперная характеристика такого элемента представляет собой горизонтальную инию. Для работы идеального топливного элемента требуется достаточно быс­трая кинетика химических реакций, для того чтобы обеспечивать необходимую нгенсивность поступления электронов во внешнюю цепь. Очевидно, создание обратимых топливных элементов технически нереализуемо. В реальных ТЭ на - подаются две основные причины отклонения от «идеальности»:

і напряжение холостого хода реального ТЭ VK меньше, чем напряжение обра­тимого ТЭ Vo6p;

2) выходное напряжение ТЭ на нагрузке VL уменьшается при увеличении се ■ тока IL в цепи.

Часто вольт-амперная характеристика (ВАХ) ТЭ представляет собой пря *> линию с небольшим отклонением от прямолинейности при малых значен а силы тока. Пример такой ВАХ показан на рис. 7.26 слева. Однако в некотор^ случаях вольт-амперная характеристика ТЭ может быть близка к линейной то м ко в небольшом диапазоне значений силы тока (рис. 7.26, справа).

еа

ь

с

rt

X

Рис. 7.26. Типичные современные топливные элементы имеют, как правило, линеи вольт-амперную характеристику, которая имеет слабую нелинейность лишь Ч малых значениях силы тока (на рисунке слева). Небольшой демонстрації і ный топливный элемент с жидким электролитом фирмы Engelhard, наоб ■» характеризуется незначительным диапазоном значений силы тока, в коше* ВАХ близка к линейной. За пределами этого диапазона ВАХ весьма замен отклоняется от линейной (на рисунке справа).

Типичная вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 7.26 (еле может быть описана следующим уравнением:

L — — Iвнутр — ^акгив ’

где I / R, я iytV — падение напряжения на внутреннем сопротивлении Вшуср элеме, К1ктив — так называемое напряжение активации, т. е. напряжение, которое і такую функциональную зависимость от силы тока /,, которая позволяет вильно воспроизвести зависимость напряжения V, от силы тока. Если име достоверные экспериментальные данные о зависимости VL от силы тока і то на их основе можно определить значение внутреннего сопротивления а также функциональную зависимость напряжения ЕактИв от IL. Тем не менее ■ который дополнительный теоретический анализ поможет упростить эту зад 4 Как будет показано ниже, зависимость Е1КТИВ от IL является логариф. <■ ской. При умеренно больших значениях силы тока

(83)

где К2 и /() — параметры, значения которых определяются на основе экспери - ентальных измерений ВАХ.

Наклон ВАХ определяется не только внутренним сопротивлением ТЭ. Дейс­твительный наклон ВАХ равен (за исключением области очень низких значений силы тока):

(84)

Как отмечалось выше, /?внутр является функцией тока IL. Однако на прак­тике топливный элемент работает в диапазоне значений тока, в котором за - іисимость между напряжением и силой тока очень близка к линейной, t е. V2/IL<г Лвнуф. В этом случае топливный элемент можно рассматривать как ил очник напряжения и сопротивление Лвнуф, соединенные последовательно, • к показано на рис. 7.27.

Цве схемы замещения, показанные на рис. 7.27, абсолютно эквивалентны. Схема, изображенная на рисунке слева, очевидна; на схеме справа напряжение юлостого хода Vxx создается двумя источниками напряжения Fo6p и Fo6p - Vxx, подключенными по встречной схеме. Такое представление схемы замещение позже поможет при расчете внутреннего тепловыделения. Напряжение холо­стого хода Vxx, очевидно, можно определить, найдя точку пересечения ВАХ осью ординат.

Для представленной схемы замещения можно записать

^L Ухх ^£-^внутр ^ хх *^^внутр *

Иногда ВАХ изображается как функция плотности тока J = I / А, где А площадь активной поверхности электродов:

где 9? — удельное сопротивление элемента, Ом-м2.

На рис. 7.28 показана вольт-амперная характеристика топливного элем фирмы Ballard. Линейная интерполяция экспериментально измеренных дан о зависимости напряжения от плотности тока позволяет получить соотноше для расчета выходного напряжения ТЭ:

при 50 °С VL = 0,912 - 54,4 ■ 10"6/ , при 70 °С VL =0.913-49,3-Ю'6/, где J — плотность тока, А/м2.

1,0 0,9

О

к 0.8

о

I 0,7

0,6 0,5

Так как площадь активной поверхности рассматриваемой модели А = 0,0232 м2, приведенные выше соотношения могут быть переписанн расчета напряжения в зависимости от силы тока /, где I - JA:

при 50 °С VL = 0,912 -2,34- НГ3/, при 70 °С V, =0,913 -2,12- НГ3/.

Напряжение холостого хода равно:

при 50 °С 0,912 В, или 77,4 % значения Fo6p = 1,178 В,

при 70 °С 0,913 В, или 78,0 % Кобр = 1,171 В.

Напряжение холостого хода слабо зависит от температуры. Как было показано выше, Иобр уменьшается незначительно при увеличении температуры, тогда как напряжение холостого хода Vx немного увеличивается с ростом температуры в результате интенсификации кинетики химической реакции.

Более существенному влиянию температуры подвергается внутреннее сопро­тивление ТЭ. Его значение уменьшается от 2,34 до 2,12 мОм (более чем на 9 %) при увеличении температуры на 20 К.