一类普适电化学反应系统的最优电流路径

摘要

本文研究了一类普适反应类型(aA+bB■xX+yY)下有限时间与非零反应速率的电化学系统,考虑活化过电位、欧姆过电位和浓度过电位等各种内部不可逆性损失,应用有限时间热力学和最优控制理论分别导出了理想搅拌式和耗散流两类燃料电池最大输出功与最大利润时最优电流路径.结果表明:对于理想搅拌式燃料电池,无论是以最大输出功还是以最大利润为优化目标,其最优电流均随时间保持为常数,与过电位损失大小无关;对于耗散流燃料电池,其最大输出功时电压-电流特性曲线呈类抛物线规律变化,最大输出功时电流随时间呈现前半段急剧减小而后半段变化量较小的变化规律,而最大利润时电流随时间呈现前半段急剧减小而后半段急剧增加的变化规律,两种不同目标下电流最优路径间存在显著不同;反应级数的变化对不同目标下的优化结果也有显著影响,简单反应(A+B■X+Y)电化学系统下最大输出功时电流随电压的增加为典型的抛物线关系,而复杂反应(A+2 B■2 X+Y)电化学系统下最大输出功时电流随电压的增加在多数情形下呈近似的单调增加.本文研究结果对实际电化学系统的最优设计与运行具有一定的理论指导意义.