1. Мощность энергоустановки рассчитываем по формуле: W=Ui*I*n, где Ui – напряжение на единичной топливной ячейке, I – сила тока на единичной топливной ячейке, n – количество топливных ячеек. Напряжение пересчитываем по формуле: U=Ui*n.
Таким образом, получаем следующие данные: (Табл. 1)
Строим зависимость W от I (Рис. 1)
Отсюда следует, что максимальная мощность (Wmax) энергоустановки соответствует ≈ 33,76 Вт при токе Imax=1375 мА и напряжении Umax=24,55 В.
2. Максимально возможную величину напряжения водородно-воздушной топливной ячейки можно рассчитать по формуле: (1)
Для реакции 1/2O2 + H2 ---> H2O количество перенесенных электронов z = 2.
F = 96500 Кл/моль – постоянная Фарадея.
Таким образом, Uo= -ΔGоH2O(газ)/(z*F)= 237,3 кДж/моль / (2*96500 Кл/моль) = 1,23 В.
3. КПД единичной ячейки рассчитывается по формуле: (2)
при максимальной мощности энергоустановки ток равен Imax=1375 мА. При этом напряжение на единичной ячейке U1max=0,491 В. Подставляем все в формулу, получаем: (3)
Для обратной задачи надо выразить U.
Таким образом,U56%=(4)
4. По закону Фарадея Q = z*n*F, где Q – электрический заряд, z – число электронов в обменной реакции, n – количество вещества.
Продифференцировав это выражение по времени получаем: dQ/dt = I = z*(dn/dt)*F. Отсюда dn/dt = I / (z*F).
Для ионизации молекулы водорода требуется 2 электрона, для молекулы кислорода – 4.
Таким образом, для энергоустановки с 50 топливными ячейками при работе в условиях вырабатывания максимума электрической мощности величина потока, считая, что газы находятся при н.у. (Vm=22,4 л/моль), должна составить:
dn/dt(Н2, л/мин) = 1,375 А * 50 * 22,4 л/моль * 60 с / (2 * 96500 Кл/моль * 0,7) = 0,68 л/мин.
dn/dt(O2, л/мин) = 1,375 А * 50 * 22,4 л/моль * 60 с / (4 * 96500 Кл/моль * 0,3) = 0,80 л/мин.
Но, принимая во внимание, что парциальное давление кислорода в воздухе (1 атм) составляет 0.21 атм, то для воздушного потока выражение будет иметь вид:
dn/dt(воздух, л/мин) = 1,375 А * 50 * 22,4 л/моль * 60 с / (4 * 96500 Кл/моль * 0,3 * 0,21) = 3,80 л/мин.
Скорость генерации воды (г/час) (Mr(H2O) = 18 г/моль) в энергоустановке при работе в условиях вырабатывания максимума электрической мощности можно рассчитать по следующей формуле:
dn/dt(Н2О, г/час) = 1,375 А * 50 * 3600 с * 18 г/моль / (2*96500 Кл/моль) = 23,08 г/час.
Примечание: указанные в тексте формулы вы найдете в приложенных jpg-файлах
