化學電源和燃料電池介紹5

化學電源直接把化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，俗稱電池形形色色的電池

A

CuZn

稀H2SO4KOH溶液CH4O2H2Oa極b極用途廣泛的電池用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池化學電源用途廣泛的電池用于“神六”的太陽能電池筆記本電腦專用電池手機專用電池攝像機專用電池各式各樣的紐扣電池電池的性能標準1.電動勢高,放電時電動勢的下降及隨時間的變化小;2.質量比容量或體積比容量高,活性物質的利用率大;3.維護方便,儲存性及耐久性優(yōu)異,價格低廉.電池的容量(額定容量)在給定的放電條件下,電池放電至終止電壓所放出的電量,單位:安時(Ah).比容量單位體積的容量或單位質量的容量電池的標識電池的生產(chǎn)廠商、型號電池的種類3.額定電壓4.額定容量化學電源一次電池二次電池燃料電池堿性鋅錳電池鉛蓄電池氫氧燃料電池鋰離子電池銀鋅蓄電池普通鋅錳干電池銀鋅鈕扣電池一、化學電源的分類二、一次電池普通鋅錳電池鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結構NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1、普通干電池負極正極電池反應：氫氧化氧錳（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（C）：優(yōu)點：制作簡單、價格便宜。缺點：放電時間短，電壓下降快2MnO2+2NH4++2e-=2MnOOH+2NH3Zn＋2MnO2+2NH4Cl

=2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2二氯化二氨合鋅2、堿性鋅-錳電池電解質：KOH負極：(Zn)Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正極：(C)2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺點：多數(shù)只能一次使用，不能充電；價格較貴。優(yōu)點：比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電。電池反應：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2堿性電池

3、銀鋅鈕扣電池正極：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH－負極：Zn+2OH－-2e-=ZnO+H2O總反應：

Zn+Ag2O=ZnO+2Ag三、二次電池1、鉛蓄電池放電過程總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-+2e-=2PbSO4+2H2O

氧化反應

還原反應負極：①放電過程鉛蓄電池充電的反應則是上述反應的逆過程。②充電過程PbSO4+2e-=Pb+SO42-

還原反應陰極：陽極：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-

氧化反應接電源負極接電源正極充電過程總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4鉛蓄電池的充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。優(yōu)點：可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉。其它二次電池鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池……2、堿性鎳鎘電池：負極：正極：電池反應：特點：自放電小，貯存壽命長，耐過充放電能力強。3、鎳氫電池：負極：正極：電池反應：特點：比能量高，環(huán)保，無記憶效應，充放電循環(huán)壽命長，耐過充放電能力強4.鋰離子電池(“搖椅電池”)鋰離子電池可用下式表示：

(-)Cn|LiPF6~EC+DEC|LiMO2(+)放電電極反應：

(-)LixCn=Cn+xLi++xe-(+)Li1-xMO2+xLi++xe-=LiMO2電池反應:Li1-xMO2+LixCn=LiMO2+Cn式中：M=Co、Ni、Fe、W等,DE、DEC為碳酸烷基酯類溶劑。鋰離子電池特點：?能量密度高，是鎳鎘電池的2~3倍，鎳氫電池的1~2倍?工作電壓高，是鎳鎘、鎳氫電池的3倍?體積小，比鎳氫電池小30%?質量輕，比鎳氫電池輕50%?無記憶效應?無環(huán)境污染?壽命長燃料電池能源危機中東地區(qū):石油儲量最多,占56.8%；歐洲:

天然氣和煤炭儲量最多,各占54.6%和45%亞洲、大洋洲:煤炭各占18%，石油、天然氣只有5%尋找新能源尋找新能源迫在眉睫??！現(xiàn)在生活、生產(chǎn)用能后石油時代大型移動動力源如汽車動力源如何解決？1）生物燃料如生物柴油、乙醇等2）開發(fā)高比能量的二次電池，發(fā)展電動車3）以氫為能量載體，用燃料電池發(fā)電即所謂氫能經(jīng)濟

固定能源移動動力源

化學能源水電、火電、核電、風能發(fā)電、太陽能發(fā)電等以石油為代表的液體燃料（汽車、飛機等）電池（手機、各種小型電動工具）氫能經(jīng)濟人類社會目前正處于“碳氫經(jīng)濟”時代，化石能是最主要的能源?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)，人類不斷開發(fā)、利用新的“碳氫能源”的歷史實際上是一個“脫碳”的歷史。每一次能源革命的結果都是使“碳氫能源”中碳的含量降低，氫的含量上升。人類最早使用的“碳氫能源”是木柴，后來發(fā)展到煤，又發(fā)展到石油、天然氣。木柴中碳氫原子個數(shù)比約為10:1，煤約為2:1，石油為1:2；天然氣為1:4。每一次能源的“脫碳”都會推動人類社會的進步和文明程度的提高。氫的優(yōu)越性氫的來源十分廣泛，水、化石燃料（如石油、煤、天然氣等）、植物和有機廢物中都含有大量的氫；氫是極好的能量載體，發(fā)熱值高，燃燒時副產(chǎn)品只有水，無污染；氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物的形式出現(xiàn)，能適應運輸、存儲和各種應用環(huán)境的不同要求；氫能的利用形式多樣，可通過內(nèi)燃機、渦輪機、燃料電池等裝置將氫能轉化成熱能、機械能、電能，用于交通運輸、供暖、發(fā)電等各個方面。燃料電池的特點１、燃料電池：

燃料電池的電極本身不包含活性物質，只是一個催化轉化元件。工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能。2、特點

一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。燃料氧化劑負極正極電解質導電離子燃料電池vs.一般電池工作原理反應物壽命電極流道燃料電池能量轉換裝置外部無限制穩(wěn)定√一般電池能量儲存裝置內(nèi)部反應物數(shù)量消耗×電化學裝置;將燃料之化學能直接轉電能;組成:電極、電解質。燃料電池分類

燃料電池依據(jù)其電解質的性質而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應用。按電解質劃分，燃料電池大致上可分為六類：質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的一種）各類燃料電池原理燃料電池的應用燃料電池發(fā)展歷史燃料電池電站便攜式電源交通工具軍用設備燃料電池的特點(1)高效

燃料電池按電化學原理等溫地直接將化學能轉化為電能。在理論上它的熱電轉化效率可達85%-90%。但實際上，電池在工作時由于各種極化的限制，目前各類電池實際的能量轉化效率均在40%-60%的范圍內(nèi)。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達80%以上。燃料電池的特點(2)環(huán)境友好

當燃料電池以富氫氣體為燃料時，富氫氣體是通過礦物燃料來制取的，由于燃料電池具有高的能量轉換效率，其二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。由于燃料電池的燃料氣在反應前必須脫除硫及其化合物，而且燃料電池是按電化學原理發(fā)電，不經(jīng)過熱機的燃燒過程，所以它幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，減輕了對大氣的污染。當燃料電池以純氫為燃料時，它的化學反應產(chǎn)物僅為水，從根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。燃料電池的特點(3)安靜

燃料電池按電化學原理工作，運動部件很少。因此它工作時安靜，噪聲很低。實驗表明，距離40kW磷酸燃料電池電站4.6m的噪聲水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料電池電站的噪聲水平已經(jīng)達到不高于55dB的水平。(4)可靠性高

堿性燃料電池和磷酸燃料電池的運行均證明燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應急電源和不間斷電源使用。質子交換膜燃料電池（PEMFC）陽極陰極H2→2H++2e-1/2O2+2H++2e-→H2O質子交換膜燃料電池的構造雙極板MEA陰極+陽極+膜單電池電解質質子交換膜聚合物電解質膜電解質膜使用的材料－－Nafion（Dupont）

Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯鏈（商品名Teflon）形成膜的骨架，及附在Teflon端部，具有磺酸（HSO3）基團的側鏈組成，環(huán)繞在磺酸側鏈周圍的含水區(qū)成為電解質。膜電極（MEA）

膜電極通常由氣體擴散層、催化層、電解質膜層等組成

鉑微粒固定在相對較大的炭粉粒子上，催化劑一般為鉑。多孔氣體擴散電極特點

電極的性能不單單依賴于電催化劑的活性，還與電極內(nèi)各組份的配比，電極的孔分布與孔隙率，電極的導電特性等有關。也就是說，電極的性能與電極的結構和制備工藝密切相關。O2e-H2OH+多孔氣體擴散電極的目的在燃料電池中，采用多孔氣體擴散電極：是增加真實的電化學反應區(qū)，提高多孔氣體擴散電極的表觀（幾何）電流密度i；是減薄液相傳質層厚度，提高反應區(qū)反應物濃度，增加i0

。而提高i0最有效的方法還是提高電催化劑的活性。貴金屬電催化劑

鉑是首選的低溫燃料電池電催化劑。對氫氧化，交換電流密度可高達0.1-100mA/cm2。用其作電催化劑，制備的多孔氣體擴散電極，當其工作電流密度高達每平方厘米幾百毫安時，極化僅有1-20mv，接近可逆電極。而將其用于氧還原時，交換電流密度最高為每平方厘米幾微安，在室溫交換電流密度可低至10-10A/cm2。因此氧電極是典型的不可逆電極。據(jù)此用純氫、純氧作燃料和氧化劑的氫氧低溫燃料電池，極化主要產(chǎn)生在氧電極，和電解質產(chǎn)生歐姆電位降（歐姆極化）。陰極：cathode

陽極：anode

雙極板

實現(xiàn)燃料電池內(nèi)部連接的一個方法，是