效率与燃料电池电压课件

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系統壓力2.5.5應用-血液中酒精濃度的測試2.6總結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、化學能、熱能等轉換成所要的電能，像下圖的風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，燃料進入電池行化學反應，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，燃料進入電池行化學反應，Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學能，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能，採在定義化學能時有兩項須注意的地方：

1.首先先定義一個化學能為零點的地方，這樣才方便作位能的比較。2.計算兩種狀態下的化學位能差，像化學反應前後的位能差即是我們想要得知的，因為所得的位能可轉換成想要的電能。反應後的吉柏自由能反應前的吉柏自由能5在定義化學能時有兩項須注意的地方：反應後的吉柏自由能反應前以氫氧燃料電池為例，因為要固定產物為1莫耳，所以化學式如下：生成的化學能以吉柏自由能表示如下：6以氫氧燃料電池為例，因為要固定產物為1莫耳，所以化學式如下：下圖表示不同溫度及狀態的吉柏自由能吉柏自由能的值為負表示是放出能量7下圖表示不同溫度及狀態的吉柏自由能吉柏自由能的值為負表示是放Avogadro’snumber(亞佛加厥數)andFaradayConstant(法拉第常數)Avogadro’snumber=N=Faradayconstant=N*e=96485coulombse(achargeofelectrons)=8Avogadro’snumber(亞佛加厥數)andF以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應式：

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，表示1莫耳物質所帶有的分子數。e：一個電子所帶電量。F：法拉第常數，其值為96485或96500。9以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應式：放出兩個電子由上式知道轉換得到的電功為：

所以化學位能差等於轉換的電功(在可逆情況下)上式作移項得：

10由上式知道轉換得到的電功為：所以化學位能差等於轉換的電功(說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回運動不停止，這是因為沒有摩擦力和重力的阻抗。而不可逆過程中，球運動一段時間即停止，這是因為有外力的阻抗。

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表示反應放出的電子數，在氫氧燃料電池反應中是放出2個電子。因此得到以下的通式Z為反應中所放出的電子數。122.2燃料電池的開迴路電壓由上一節可知，氫氧燃料電池在可逆用以下兩個化學反應作例子13用以下兩個化學反應作例子132.3燃料電池的效能極限舉例像風力發電機的最大工作效率Efficiency=0.58*kineticenergyofthewind0.58isknownasthe“BetzCoefficient”.在可逆情況下，作功的效率都是100%，不過真實情況時的工作效率，才是我們想要知道的，所以本節就是探討燃料電池在真實情況的工作效率。142.3燃料電池的效能極限舉例像風力發電機的最大工作效率在可接下來描述熱機效率我們用卡諾循環(Carnotcycle)來作描述，其式子如下：

=從低溫熱池傳出的熱量=傳至高溫熱池的熱量而上式可做簡化，當作是在描述一個卡諾熱機的效率：=高溫熱池的溫度=低溫熱池的溫度15接下來描述熱機效率我們用卡諾循環(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：

當產物中的水為液相時，熱值(即為焓)稱為高熱值。(HighHeatValue，HHV)LHV：當產物中的水為氣相時，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…..燃料電池的實際效率：CellEfficiencyforHHV：燃料電池的實際電壓然而，並非所有輸入的燃料都會被完全使用，所以反應的燃料質量/輸入的燃料質量forHHVforLHV192.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實際效率：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，同時也會受到反應壓力與濃度的影響，本節以Nernst方程式來說明壓力和濃度對電池性能的影響。

假設一反應方程式為：

表示反應的活性為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，其全反應為：表示水的活性為所以表示全反應的Gibbsfreeenergy為：

21對於氫燃料電池而言，其全反應為：表示水的活性為所以表示全反應上式等於：

轉換成電壓值：

在標準壓力下，每莫耳Gibbsfreeenergy的變化。22上式等於：轉換成電壓值：在標準壓力下，每莫耳Gibbs由於：在標準壓力下的電動勢。：標準壓力=0.1MPa=1bar。23由於：在標準壓力下的電動勢。：標準壓力=0.1MPa=1b若以濃度來表示：假設系統壓力是，則是常數，決定於H2,O2,H2O的莫耳質量和濃度。24若以濃度來表示：假設系統壓力是，則是常數，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系統壓力如果系統壓力由P1→P2bar，其餘分壓皆不變，則272.5.4系統壓力如果系統壓力由P1→P2bar，2.5.5應用-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物(此應用為酒精)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應用-血液中酒精濃度的測試由Nernst方程式2.6總結…..○氫燃料電池的可逆開路電壓：○一般而言，每分子燃料反應有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…..○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：：在標準壓力下的電動勢。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系統壓力2.5.5應用-血液中酒精濃度的測試2.6總結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、化學能、熱能等轉換成所要的電能，像下圖的風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，燃料進入電池行化學反應，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，燃料進入電池行化學反應，Gibbsfreeenergy定義燃料電池中的化學能，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能，採在定義化學能時有兩項須注意的地方：

1.首先先定義一個化學能為零點的地方，這樣才方便作位能的比較。2.計算兩種狀態下的化學位能差，像化學反應前後的位能差即是我們想要得知的，因為所得的位能可轉換成想要的電能。反應後的吉柏自由能反應前的吉柏自由能35在定義化學能時有兩項須注意的地方：反應後的吉柏自由能反應前以氫氧燃料電池為例，因為要固定產物為1莫耳，所以化學式如下：生成的化學能以吉柏自由能表示如下：36以氫氧燃料電池為例，因為要固定產物為1莫耳，所以化學式如下：下圖表示不同溫度及狀態的吉柏自由能吉柏自由能的值為負表示是放出能量37下圖表示不同溫度及狀態的吉柏自由能吉柏自由能的值為負表示是放Avogadro’snumber(亞佛加厥數)andFaradayConstant(法拉第常數)Avogadro’snumber=N=Faradayconstant=N*e=96485coulombse(achargeofelectrons)=38Avogadro’snumber(亞佛加厥數)andF以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應式：

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，表示1莫耳物質所帶有的分子數。e：一個電子所帶電量。F：法拉第常數，其值為96485或96500。39以氫氧燃料電池為例子，下式為陽極半反應式：放出兩個電子由上式知道轉換得到的電功為：

所以化學位能差等於轉換的電功(在可逆情況下)上式作移項得：

40由上式知道轉換得到的電功為：所以化學位能差等於轉換的電功(說明可逆過程及不可逆過程在可逆過程，球自高處放下，會一直來回運動不停止，這是因為沒有摩擦力和重力的阻抗。而不可逆過程中，球運動一段時間即停止，這是因為有外力的阻抗。

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表示反應放出的電子數，在氫氧燃料電池反應中是放出2個電子。因此得到以下的通式Z為反應中所放出的電子數。422.2燃料電池的開迴路電壓由上一節可知，氫氧燃料電池在可逆用以下兩個化學反應作例子43用以下兩個化學反應作例子132.3燃料電池的效能極限舉例像風力發電機的最大工作效率Efficiency=0.58*kineticenergyofthewind0.58isknownasthe“BetzCoefficient”.在可逆情況下，作功的效率都是100%，不過真實情況時的工作效率，才是我們想要知道的，所以本節就是探討燃料電池在真實情況的工作效率。442.3燃料電池的效能極限舉例像風力發電機的最大工作效率在可接下來描述熱機效率我們用卡諾循環(Carnotcycle)來作描述，其式子如下：

=從低溫熱池傳出的熱量=傳至高溫熱池的熱量而上式可做簡化，當作是在描述一個卡諾熱機的效率：=高溫熱池的溫度=低溫熱池的溫度45接下來描述熱機效率我們用卡諾循環(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：

當產物中的水為液相時，熱值(即為焓)稱為高熱值。(HighHeatValue，HHV)LHV：當產物中的水為氣相時，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…..燃料電池的實際效率：CellEfficiencyforHHV：燃料電池的實際電壓然而，並非所有輸入的燃料都會被完全使用，所以反應的燃料質量/輸入的燃料質量forHHVforLHV492.4效率與燃料電池電壓…..燃料電池的實際效率：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，同時也會受到反應壓力與濃度的影響，本節以Nernst方程式來說明壓力和濃度對電池性能的影響。

假設一反應方程式為：

表示反應的活性為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，其全反應為：表示水的活性為所以表示全反應的Gibbsfreeenergy為：

51對於氫燃料電池而言，其全反應為：表示水的活性為所以表示全反應上式等於：

轉換成電壓值：

在標準壓力下，每莫耳Gibbsfreeenergy的變化。52上式等於：轉換成電壓值：在標準壓力下，每莫