对燃料电池的热力学分析硕动力092班1092221078马少栋摘要：燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。通过对燃料电池中能量转换过程的热力学分析，我们可以知道在转换过程中有待改进的地方，从而设计出更实用的燃料电池。关键词：燃料电池；热力学分析；可逆电池；吉布斯自由能ThermodynamicAnalysisofFuelCellAbstract:Fuelcellisaequipmentthattransformchemicalenergyintoelectricalenergydirectlywithoutburning.Thiskindofcellareprovidedwithsomespecialadvantage,higherenergyconversionefficiencyandlesscontaminationdischarge.Bymeansofthermodynamicanalysisoffuelcellenergyconversionprocess,wecanbeawareofwhatneedimprovementinconversionprocess,therebyworkoutingmorepracticalfuelcell.Keywrod:fuelcell;thermodynamicanalysis;reversiblecell;TheGibbsFreeEnergy1热力学分析概述热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。目前常用的三种热力学分析方法，即焓分析、熵分析和火用分析。通过各种热力学分析方法对能量转换过程进行分析，改进装换装置，能够更加合理的利用能量，对人类社会发展有着重要的意义。热力学分析通常包括三方面的内容：（1）确定过程中工质状态变化的规律以及相应的状态参数；（2）确定过程中能量转换的数量关系；（3）揭示过程中的不可逆程度，反映能量转换与利用的完善性。具体步骤为：（1）根据具体情况，划定系统；（2）根据过程特性，确定过程中状态变化的特定规律；（3）用图表示意出热力过程；（4）根据合适的热力学定律，列出平衡式，求解未知量。2燃料电池目前，利用最多的能源是燃料的化学能。通过燃烧，燃料的化学能转换成热能，再将热能转换成机械能或者电能供人们使用。能源的开发利用，一方面为人类社会的发展提供了必需的能量，另一方面，不可再生的化石燃料的大量开采和使用最终后导致整个世界范围内的资源枯竭和严重的环境污染问题。而且，热能通过热能动力装置转换为机械能的效率较低，即使是当代最先进的大型蒸汽动力装置的热效率也只稍超过了40%。因此，开发利用新能源、可再生能源以及提高能源转换装置的效率是目前解决能源与环境问题的有效方法,因而燃料电池发电技术以其高效、环保等特点逐渐受到人们的广泛关注。2.1燃料电池的原理燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电池不同之处在于，燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料（氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取）和氧（或空气）不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。燃料电池由3个主要部分组成：燃料电极（正极），电解液，空气／氧气电极（负极）。以最简单的氢氧燃料为例，其工作原理是：从正极处的氢气中抽取电子（氢气被电化学氧化掉，或称“燃烧掉了”）。这些负电子流到导电的正极，同时，余下的正原子（氢离子）通过电解液被送到负极。在负极，离于与氧气发生反应并从负极吸收电子。这一反应的产品是电流、热量和水。2.2燃料电池的优点由于燃料电池不会燃烧出火焰，也没有旋转发电机，所以燃料的化学能直接转化为电能。这一过程具有许多重要的优点：（1）能量转化效率高它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池理论热力学效率为82%,由于实际电池工作时各种极化现象的限制,目前各种燃料电池的实际能量转化效率为50%～60%，而火力发电和核电的效率大...
