化學(xué)電源和燃料電池

1、直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，俗稱直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，俗稱電池電池 形形色色的電池形形色色的電池 A A CuZn 稀稀H H2 2SOSO4 4KOH溶液溶液CH4 O2 2 H2Oa極極 b極極用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池用于用于“神六神六”的太陽能電的太陽能電池池筆記本電腦專用電池筆記本電腦專用電池手機專用電池手機專用電池攝像機專用電池攝像機專用電池各式各樣的紐扣電各式各樣的紐扣電池池電池的性能標(biāo)準(zhǔn)電池的性能標(biāo)準(zhǔn)1.1.電動勢高電動勢高, ,放電時電動勢的下降及隨時間的變化小放電時電動勢的下降及隨時間的變化小; ;2.2.質(zhì)量比容量或體積比容量高質(zhì)量

2、比容量或體積比容量高, ,活性物質(zhì)的利用率大活性物質(zhì)的利用率大; ;3.3.維護方便維護方便, ,儲存性及耐久性優(yōu)異儲存性及耐久性優(yōu)異, ,價格低廉價格低廉. .電池的容量電池的容量(額定容量額定容量)在給定的放電條件下在給定的放電條件下, ,電池放電至終止電壓所放出的電量電池放電至終止電壓所放出的電量, ,單位單位: :安時安時(Ah).(Ah).比容量比容量單位體積的容量或單位質(zhì)量的容量單位體積的容量或單位質(zhì)量的容量電池的標(biāo)識電池的標(biāo)識電池的生產(chǎn)廠商、型號電池的生產(chǎn)廠商、型號電池的種類電池的種類 3. 額定電壓額定電壓 4. 額定容量額定容量 化學(xué)電源化學(xué)電源一次電池一次電池二次電池二次電

3、池燃料電池燃料電池堿性鋅錳電池堿性鋅錳電池鉛蓄電池鉛蓄電池氫氧燃料電池氫氧燃料電池鋰離子電池鋰離子電池銀鋅蓄電池銀鋅蓄電池普通普通鋅錳鋅錳干電池干電池銀銀鋅鈕扣電池鋅鈕扣電池一、化學(xué)電源的分類一、化學(xué)電源的分類二、一次電池二、一次電池普通鋅錳電池普通鋅錳電池鋅筒鋅筒石墨棒石墨棒MnO2和和C普通鋅普通鋅- -錳干電池的結(jié)構(gòu)錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2 和和 H2O等等1、普通干電池、普通干電池負極負極正極正極電池反應(yīng)：電池反應(yīng)：氫氧化氧錳氫氧化氧錳（Zn）：）：Zn 2e- = Zn2+（C）：）：優(yōu)點：制作簡單、價格便宜。優(yōu)點：制作簡單、價格便宜。 缺點：放電時間短，電壓下降快缺點：

4、放電時間短，電壓下降快2MnO2+2NH4+2e- =2MnOOH+2NH3Zn2MnO2+2NH4Cl =2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2二氯化二氨合鋅二氯化二氨合鋅2、堿性鋅、堿性鋅-錳電池錳電池電解質(zhì)：電解質(zhì)：KOH負極：負極：(Zn)(Zn)Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2正極：正極：(C)(C)2MnO2+ 2H2O+ 2e- = 2MnOOH+2OH-缺點：缺點：多數(shù)只能一次使用，不能充電；價格較貴。多數(shù)只能一次使用，不能充電；價格較貴。優(yōu)點：優(yōu)點：比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流 和連續(xù)放電。和連續(xù)放電。電池反應(yīng)：

5、電池反應(yīng)：Zn+ 2MnO2+ 2H2O = 2MnOOH+ Zn(OH)2堿性電池堿性電池 3、銀、銀鋅鋅鈕扣電池鈕扣電池正極：正極：Ag2O + H2O+ 2e- = 2Ag+2OH負極：負極：Zn +2OH-2e- = ZnO+H2O總反應(yīng)：總反應(yīng)： Zn+ Ag2O = ZnO+ 2Ag三、二次電池三、二次電池1、鉛蓄電池放電過程總反應(yīng)：放電過程總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O Pb + SO42- -2e- =PbSO4 正極：正極：PbO2 + 4H+SO42-+2e- =2PbSO4 +2H2O 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 還原反應(yīng)還原反應(yīng)負極：負極：放電過程放

6、電過程鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過程。鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過程。充電過程充電過程PbSO4 +2e- =Pb + SO42- 還原反應(yīng)還原反應(yīng)陰極：陰極：陽極：陽極：PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H+ SO42- 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)接電源負極接電源負極接電源正極接電源正極充電過程總反應(yīng)：充電過程總反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4鉛蓄電池的充放電過程：鉛蓄電池的充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O放電放電充電充電缺點：缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。優(yōu)點：優(yōu)

7、點：可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉。價格低廉。其它二次電池其它二次電池鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池離子蓄電池2 2、堿性鎳鎘電池：、堿性鎳鎘電池：)(Cd KOH NiOOH負極：負極：222()CdOHeZn OH正極：正極：22()NiOOHH OeNi OHOH電池反應(yīng)：電池反應(yīng)：22222()()CdNiOOHH OCd OHNi OH特點：自放電小，貯存壽命長，耐過充放電能力強。特點：自放電小，貯存壽命長，耐過充放電能力強。3 3、鎳氫電池：、鎳氫電池：)(xM

8、H KOH NiOOH負極：負極：2xMHxOHxeMxH O正極：正極：22()NiOOHH OeNi OHOH電池反應(yīng)：電池反應(yīng)：2()xMHxNiOOHMxNi OH特點：比能量高，環(huán)保，無記憶效應(yīng)，充放電循環(huán)特點：比能量高，環(huán)保，無記憶效應(yīng)，充放電循環(huán)壽命長，耐過充放電能力強壽命長，耐過充放電能力強4.鋰離子電池鋰離子電池(“搖椅電池搖椅電池”)鋰離子電池可用下式表示：鋰離子電池可用下式表示： (-)Cn|LiPF6 EC+DEC |LiMO2(+) 放電電極反應(yīng)：放電電極反應(yīng)： (-) LixCn = Cn + xLi+xe- (+) Li1-xMO2+ xLi+ +xe-=LiMO

9、2電池反應(yīng)電池反應(yīng): Li1-xMO2+ LixCn = LiMO2+ Cn式中：式中：M=Co、Ni、Fe、W等等,DE、DEC為碳酸烷基酯為碳酸烷基酯類溶劑。類溶劑。鋰離子電池鋰離子電池特點：特點：能量密度高，是鎳鎘電池的能量密度高，是鎳鎘電池的23倍，鎳氫電池倍，鎳氫電池 的的12倍倍工作電壓高，是鎳鎘、鎳氫電池的工作電壓高，是鎳鎘、鎳氫電池的3倍倍體積小，比鎳氫電池小體積小，比鎳氫電池小30%質(zhì)量輕，比鎳氫電池輕質(zhì)量輕，比鎳氫電池輕50%無記憶效應(yīng)無記憶效應(yīng)無環(huán)境污染無環(huán)境污染壽命長壽命長燃料電池燃料電池燃燃 料料 電電 池池能源危機能源危機 中東地區(qū)中東地區(qū): 石油儲量最多石油儲量最

10、多, 占占56.8%； 歐洲歐洲: 天然氣和煤炭儲量最多天然氣和煤炭儲量最多, 各占各占54.6%和和45% 亞洲、大洋洲亞洲、大洋洲: 煤炭各占煤炭各占18%，石油、天然氣只有，石油、天然氣只有5%燃燃 料料 電電 池池尋找新能源尋找新能源尋找新能源迫在眉睫！燃燃 料料 電電 池池現(xiàn)在生活、生產(chǎn)用能現(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？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 固定能源固定能源移動動力源移動動力源 化學(xué)能源化學(xué)能源水電、火電、核電

11、、風(fēng)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）燃燃 料料 電電 池池氫能經(jīng)濟氫能經(jīng)濟 人類社會目前正處于人類社會目前正處于“碳氫經(jīng)濟碳氫經(jīng)濟”時代，化石能是最主時代，化石能是最主要的能源。要的能源。 科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人類不斷開發(fā)、利用新的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人類不斷開發(fā)、利用新的“碳氫能源碳氫能源”的歷史實際上是一個的歷史實際上是一個“脫碳脫碳”的歷史。每一次能源革命的歷史。每一次能源革命的結(jié)果都是使的結(jié)果都是使“碳氫能源碳氫能源”中碳的含量降低，氫的含量中碳的含量降低，氫的含量上升。上升。 人類最早使用的人類最早使用的“碳氫能源碳氫能源”是木柴，后來

12、發(fā)展到煤，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，煤約為2:1，石油為，石油為1:2；天然氣為；天然氣為1:4。 每一次能源的每一次能源的“脫碳脫碳”都會推動人類社會的進步和文明都會推動人類社會的進步和文明程度的提高。程度的提高。燃燃 料料 電電 池池氫的優(yōu)越性氫的優(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(yīng)運輸、存儲和各種應(yīng)用環(huán)境的不同要

13、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(zhuǎn)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。燃燃 料料 電電 池池燃燃 料料 電電 池池燃料電池的特點燃料電池的特點、燃料電池：、燃料電池：燃料電池的電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個催化轉(zhuǎn)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(yīng)，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、特點 一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。燃料燃料氧化劑氧化劑負極負極正極正極電電 解解 質(zhì)質(zhì)導(dǎo)電離子導(dǎo)電離子燃燃 料料 電電 池池燃料電池燃料電池 vs. 一般電池一般電池工

14、作原理工作原理反應(yīng)物反應(yīng)物壽命壽命電極電極流道流道燃料電池燃料電池能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置外部外部無限制無限制穩(wěn)定穩(wěn)定一般電池一般電池能量儲存裝置能量儲存裝置內(nèi)部內(nèi)部反應(yīng)物數(shù)量反應(yīng)物數(shù)量消耗消耗電化學(xué)裝置電化學(xué)裝置;將燃料之化學(xué)能直接轉(zhuǎn)電能將燃料之化學(xué)能直接轉(zhuǎn)電能;組成組成: 電極、電解質(zhì)。電極、電解質(zhì)。燃燃 料料 電電 池池燃料電池分類燃料電池分類 燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)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(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為六類：質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cel

15、l-PEMFC） 堿性燃料電池（堿性燃料電池（alkaline fuel cell-AFC）磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell-PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池 (molten carbonate fuel cell-MCFC)固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell-SOFC）甲醇燃料電池（甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC, PEMFC的一種）的一種）燃燃 料料 電電 池池各類燃料電池原理各類燃料電池原理燃燃 料料 電電 池池燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)

16、用燃燃 料料 電電 池池燃料電池發(fā)展歷史燃料電池發(fā)展歷史燃燃 料料 電電 池池燃料電池電站燃料電池電站燃燃 料料 電電 池池便攜式電源便攜式電源燃燃 料料 電電 池池交通工具交通工具燃燃 料料 電電 池池軍用設(shè)備軍用設(shè)備燃燃 料料 電電 池池燃料電池的特點燃料電池的特點(1) 高效 燃料電池按電化學(xué)原理等溫地直接將化學(xué)能燃料電池按電化學(xué)原理等溫地直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在理論上它的熱電轉(zhuǎn)化效率可達轉(zhuǎn)化為電能。在理論上它的熱電轉(zhuǎn)化效率可達85%-90%。但實際上，電池在工作時由于各種。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(zhuǎn)化效率極化的限制，目前各類電池實際的能量轉(zhuǎn)化效

17、率均在均在40%-60%的范圍內(nèi)。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃的范圍內(nèi)。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達料的總利用率可高達80%以上。以上。燃燃 料料 電電 池池燃料電池的特點燃料電池的特點(2)環(huán)境友好 當(dāng)燃料電池以富氫氣體為燃料時，富當(dāng)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(zhuǎn)換效率，其二氧化料電池具有高的能量轉(zhuǎn)換效率，其二氧化碳的排放量比熱機過程減少碳的排放量比熱機過程減少40%以上，這以上，這對緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。由對緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫除硫于燃料電池的燃

18、料氣在反應(yīng)前必須脫除硫及其化合物，而且燃料電池是按電化學(xué)原及其化合物，而且燃料電池是按電化學(xué)原理發(fā)電，不經(jīng)過熱機的燃燒過程，所以它理發(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，減輕了幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，減輕了對大氣的污染。當(dāng)燃料電池以純氫為燃料對大氣的污染。當(dāng)燃料電池以純氫為燃料時，它的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水，從時，它的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水，從根本上根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放的排放。燃燃 料料 電電 池池燃料電池的特點燃料電池的特點(3)安靜 燃料電池按電化學(xué)原理工作，運動部件很少。燃料電池按電化學(xué)原理工作，運動

19、部件很少。因此它工作時安靜，噪聲很低。實驗表明，距離因此它工作時安靜，噪聲很低。實驗表明，距離40kW磷酸燃料電池電站磷酸燃料電池電站4.6m的噪聲水平是的噪聲水平是60dB。而而4.5MW和和11MW的大功率磷酸燃料電池電站的的大功率磷酸燃料電池電站的噪聲水平已經(jīng)達到不高于噪聲水平已經(jīng)達到不高于55dB的水平。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(yīng)急電源燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。和不間斷電源使用。燃燃 料料 電電 池池質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PE

20、MFC）陽極陰極OHO21H222燃燃 料料 電電 池池質(zhì)子交換膜燃料電池的構(gòu)造質(zhì)子交換膜燃料電池的構(gòu)造雙極板雙極板MEA陰極陰極+陽極陽極+膜膜單電池單電池電解質(zhì)電解質(zhì)質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜燃燃 料料 電電 池池燃燃 料料 電電 池池聚合物電解質(zhì)膜聚合物電解質(zhì)膜電解質(zhì)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(cè)鏈組成，環(huán)繞在磺酸側(cè)鏈周圍的含水區(qū)成為電解質(zhì)。燃燃 料料 電電 池池膜電極（膜電極（MEA） 膜電極通常由氣體擴散層、催化層、電解質(zhì)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。燃燃 料料 電電 池池多孔氣體擴散電極特點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(dǎo)電特性等有關(guān)。也就是說，電極的性能與電極的結(jié)構(gòu)和制備工藝密切相關(guān)。O2e-H2OH+燃燃 料料 電電 池池多孔氣體擴散電極的目的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：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(xué)反應(yīng)區(qū)，提高多孔