化学电源和燃料电池

直接把化学能转变为电能的装置，俗称电池形形色色的电池ACuZn稀H2SO4KOH溶液CH4O2H2Oa极b极用途广泛的电池用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用途广泛的电池用于“神六”的太阳能电池笔记本电脑专用电池手机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电池电池的性能标准1.电动势高,放电时电动势的下降及随时间的变化小;2.质量比容量或体积比容量高,活性物质的利用率大;3.维护方便,储存性及耐久性优异,价格低廉.电池的容量(额定容量)在给定的放电条件下,电池放电至终止电压所放出的电量,单位:安时(Ah).比容量单位体积的容量或单位质量的容量电池的标识1.电池的生产厂商、型号2.电池的种类3.额定电压4.额定容量化学电源一次电池二次电池燃料电池碱性锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池锂离子电池银锌蓄电池普通锌锰干电池银锌钮扣电池一、化学电源的分类二、一次电池普通锌锰电池锌筒石墨棒MnO2和C普通锌-锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2和H2O等1、普通干电池负极正极电池反应：氢氧化氧锰（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（C）：优点：制作简单、价格便宜。缺点：放电时间短，电压下降快2MnO2+2NH4++2e-=2MnOOH+2NH3Zn＋2MnO2+2NH4Cl=2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2二氯化二氨合锌2、碱性锌-锰电池电解质：KOH负极：(Zn)Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：(C)2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电。电池反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2碱性电池3、银锌钮扣电池正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH－负极：Zn+2OH－-2e-=ZnO+H2O总反应：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag三、二次电池1、铅蓄电池放电过程总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=2PbSO4+2H2O氧化反应还原反应负极：①放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程。②充电过程PbSO4+2e-=Pb+SO42-还原反应阴极：阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-氧化反应接电源负极接电源正极充电过程总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O放电充电缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境。优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池……2、碱性镍镉电池：)(CdKOHNiOOH负极：222()CdOHeZnOH正极：22()NiOOHHOeNiOHOH电池反应：22222()()CdNiOOHHOCdOHNiOH特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。3、镍氢电池：)(xMHKOHNiOOH负极：2xMHxOHxeMxHO正极：22()NiOOHHOeNiOHOH电池反应：2()xMHxNiOOHMxNiOH特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环寿命长，耐过充放电能力强4.锂离子电池(“摇椅电池”)锂离子电池可用下式表示：(-)Cn|LiPF6~EC+DEC|LiMO2(+)放电电极反应：(-)LixCn=Cn+xLi++xe-(+)Li1-xMO2+xLi++xe-=LiMO2电池反应:Li1-xMO2+LixCn=LiMO2+Cn式中：M=Co、Ni、Fe、W等,DE、DEC为碳酸烷基酯类溶剂。锂离子电池特点：•能量密度高，是镍镉电池的2~3倍，镍氢电池的1~2倍•工作电压高，是镍镉、镍氢电池的3倍•体积小，比镍氢电池小30%•质量轻，比镍氢电池轻50%•无记忆效应•无环境污染•寿命长燃料电池燃料电池能源危机中东地区:石油储量最多,占56.8%；欧洲:天然气和煤炭储量最多,各占54.6%和45%亚洲、大洋洲:煤炭各占18%，石油、天然气只有5%燃料电池寻找新能源寻找新能源迫在眉睫！！燃料电池现在生活、生产用能后石油时代大型移动动力源如汽车动力源如何解决？1）生物燃料如生物柴油、乙醇等2）开发高比能量的二次电池，发展电动车3）以氢为能量载体，用燃料电池发电即所谓氢能经济固定能源移动动力源化学能源水电、火电、核电、风能发电、太阳能发电等以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等）电池（手机、各种小型电动工具）燃料电池氢能经济人类社会目前正处于“碳氢经济”时代，化石能是最主要的能源。科学家研究发现，人类不断开发、利用新的“碳氢能源”的历史实际上是一个“脱碳”的历史。每一次能源革命的结果都是使“碳氢能源”中碳的含量降低，氢的含量上升。人类最早使用的“碳氢能源”是木柴，后来发展到煤，又发展到石油、天然气。木柴中碳氢原子个数比约为10:1，煤约为2:1，石油为1:2；天然气为1:4。每一次能源的“脱碳”都会推动人类社会的进步和文明程度的提高。燃料电池氢的优越性①氢的来源十分广泛，水、化石燃料（如石油、煤、天然气等）、植物和有机废物中都含有大量的氢；②氢是极好的能量载体，发热值高，燃烧时副产品只有水，无污染；③氢可以以气态、液态或固态金属氢化物的形式出现，能适应运输、存储和各种应用环境的不同要求；④氢能的利用形式多样，可通过内燃机、涡轮机、燃料电池等装置将氢能转化成热能、机械能、电能，用于交通运输、供暖、发电等各个方面。燃料电池燃料电池燃料电池的特点１、燃料电池：燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能。2、特点一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。燃料氧化剂负极正极电解质导电离子燃料电池燃料电池vs.一般电池工作原理反应物寿命电极流道燃料电池能量转换装置外部无限制稳定√一般电池能量储存装置内部反应物数量消耗×电化学装置;将燃料之化学能直接转电能;组成:电极、电解质。燃料电池燃料电池分类燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为六类：质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）碱性燃料电池（alkalinefuelcell--AFC）磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell--SOFC）甲醇燃料电池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的一种）燃料电池各类燃料电池原理燃料电池燃料电池的应用燃料电池燃料电池发展历史燃料电池燃料电池电站燃料电池便携式电源燃料电池交通工具燃料电池军用设备燃料电池燃料电池的特点(1)高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85%-90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。燃料电池燃料电池的特点(2)环境友好当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的，由于燃料电池具有高的能量转换效率，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。燃料电池燃料电池的特点(3)安静燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。(4)可靠性高碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFC）阳极阴极H2→2H++2e-1/2O2+2H++2e-→H2OOHO21H222燃料电池质子交换膜燃料电池的构造双极板MEA阴极+阳极+膜单电池电解质质子交换膜燃料电池燃料电池聚合物电解质膜电解质膜使用的材料－－Nafion（Dupont）Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名Teflon）形成膜的骨架，及附在Teflon端部，具有磺酸（HSO3）基团的侧链组成，环绕在磺酸侧链周围的含水区成为电解质。燃料电池膜电极（MEA）膜电极通常由气体扩散层、催化层、电解质膜层等组成铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上，催化剂一般为铂。燃料电池多孔气体扩散电极特点电极的性能不单单依赖于电催化剂的活性，还与电极内各组份的配比，电极的孔分布与孔隙率，电极的导电特性等有关。也就是说，电极的性能与电极的结构和制备工艺密切相关。O2e-H2OH+燃料电池多孔气体扩散电极的目的在燃料电池中，采用多孔气体扩散电极：①是增加真实的电化学反应区，提高多孔气体扩散电极的表观（几何）电流密度i；②是减薄液相传质层厚度，提高反应区反应物浓度，增加i0。而提高i0最有效的方法还是提高电催化剂的活性。燃料电池贵金属电催化剂铂是首选的低温燃料电池电催化剂。对氢氧化，交换电流密度可高达0.1-100mA/cm2。用其作电催化剂，制备的多孔气体扩散电极，当其工作电流密度高达每平方厘米几百毫安时，极化仅有1-20mv，接近可逆电极。而将其用于氧还原时，交换电流密度最高为每平方厘米几微安，在室温交换电流密度可低至10-10A/cm2。因此氧电极是典型的不可逆电极。据此用纯氢、纯氧作燃料和氧化剂的氢氧低温燃料电池，极化主要产生在氧电极，和电解质产生欧姆电位降（欧姆极化）。cecaaeca阴极：cathode阳极：anode燃料电池双极板实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板，同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送到阳极，和把氧或空气送到阴极的作用燃料电池电堆（电池组）由于单元燃料电池产生的电压很低，必须将它们串联连接，构成“燃料电池堆”，才能得到所需工作电压燃料电池燃料电池系统燃料电池燃料电池汽车燃料电池电动车结构丰田混合动力车型：配备了最新设计的高性能新型燃料电池混合动力系统，该混合动力系统由燃料电池和镍氢蓄电池组成通用氢动三号：由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气