燃料电池的研究情况及展望

《燃料电池的研究情况及展望》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃料电池的研究情况及展望（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第? ?期化学世界? 燃料电池 的 研究情况及展玻 翟光 燃料电池的研究工作 , 已握有一百多年历史 。 但 是比较受人注目的成就 , 却是出现在最近三 、 四年简 。 在 ? ?年时,世界上研究这种电池的单位还不过十几 个? 主要 是苏联 、 美国 、 英国 、 西德和荷兰等国? 而到 ? ?年 , 仅美国一个国家 , 就有五十个以上的企业和 研究单位从事这一工作 , 而且少数单位已樱开始生产 拭用样品 。 据靛 ? ? 年的研究费用达一千五百 万美 元 , 其中有四百万美元是由政府国防部阴为了革事工 业和宇宙飞行的需要而投查的 。 由于搬料电池的研究工作取得了进 展 , 因之人们 镇言 ?

2、 再樱过一 、二年时简, 它必然会在 宇宙飞行中正 式应用?作为潜水艇的发电装置 , 也将于三 、 四年内实 现 。 在民用供电方面的可能性 , 预舒还需樱过? ? 年时简的考撇 。 为了使萧者了解这一新技术 的研究情况及其重要 性 , 特根据女献查料 , 整理归耙 , 作一筒略的介招 。 一 、 徽料电池的枯构及其特点 搬料电池是一种电化学装置 , 用来把燃料燃燎时 因氧化反应而生成的自由能不断地棘变成为电育 ? ? 它 与蓄电池不同之处 , 在于 它可以在电极区域速植地补 充潇料和裁化 剂而不需要象蓄电池那样在使用一个时 , 期以后就要重新充电 。 从这一意义来貌 , 燃料电池实 际上是一

3、种自发电池 。 燃料电池的精构井不复杂 。 它的主要粗成是 ? 燃 料 、 氧化剂 、电解质和电极。 有时为了使电池反应更趋 完全 , 还加 入一些催化剂?有时则以对电池反应有催化 作用的材料作电极而不再另加催化剂 。所用的燃料、氧 化剂 、 电解质和电极 因型式不同而各异 。 目前使用较 多的搬料是总和含碳物质?如一氧化碳 、 甲烷 、 以及它 们与氢的混合物? , 使用时送入电池的阴极一端 。 氧化 剂一般采用空气或粼 , 使用时送上阳极一端 。 电解质 是用来联精两个电极 , 使其通电 , 但对电子歌来则是艳 椽的 。 燃料和氧化剂为 电极和电解质隔开 , 不能互相 混合 。 低温和中温

4、燃料电池所用的 电解质一般是碱的 水溶液?如? ?氢氧化钾溶液? , 而高温燃料电池? ? 用 熔融的盐或金属氧化物?如碳酸钾和氧化簇 , 后者在电 池反应时也会变成碳酸盐? 。 电极材料有的用 铁或氧 化铁制成 , 有的用多孔碳 , 有的用多孔镍 , 也有用跟 、 铂 、 把等青重金属的 。 共同的要求是 ? 电极必须是 多孔 的 , 而且不致为电解质所潮湿 , 这样才有可能保证更大 的 活性面积 , 使反应气体能正常地通过滩盼【扩散到电 极反应的区域 , 而又不会进入电解质互相混合 。 为了 达到这个目的 , 低温和中温电池?因所用电解质均系溶 液形式?除须在电极上涂以防水物质?如石错等?

5、或采 用半憎水性物质?如多孔炭?为电极外 , 往往需要控制 电极的孔视和气体的压力 , 并限制电解质的用量 。 搬料电池的发电原理是 ? 燃料完全燃燎后 , 每一下 克分子都放出一定量的热能 。 由于在等压情况下操作 , 这一热能相当于反应 的热烩变化的负值郎 一? 。 化 学反应的自由能变化? ? 等于 ?一? 。 这里 , ? 艳对温度 , ? 熔的变化 。 根据电池反应 , ? 可能是正值的 , 也可能是食值 或等于?的 。 如果 ? , ? 郎等于 ? 。 普通甩 仙? ? ?只? ?来表示燃料电池的 “热效率”?沁?。 如 ? , 那么电池的 “热 效率 ” 就等于 ? ? ? 。

6、这是 一般发电歌备所不可能达到的 。 以普通在? ?时操作的汽输发电投备为例 ? 然 料送入蒸汽溺炉 , 有? ?多 ? 的热能捐失?因不完全燃境 关系? ? 在汽蝙机运搏时 , 有? ?肠的热能担失?其中 , ? ?是由于卡豁循环的影响 , 而? ?外是由于其他原 因?发 电机热能捐失?由于机械等原因?的为?多?合 爵起来 , 然料的热能棘化为电能的仅 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。 燃料电池的热效率 , 因不受卡豁循环的限制和其 他机械原因的影响 , 一般要比汽骗发电投备高出一倍 。 表?列出几种常用的搬料电池的热效率情况 。 麦 ? 几种常用燃料电池的

7、热效率 戳 热效李 ?八? ? ? ? ?踢 ? ? ?去? ? 峥? ? ?气体? ? ? ?告? ? 峥? ? ?液体? ?诬? ? 斗? , ?气体? ?。?,斗 ? ? ? ? ? ?气体? ? ? ? ? ? , 上? ?即?一? ? ?花 ? ? ? ? ? ? , ? ? 在燃料电池中 , 每 ? 克分子燃料所发生的电能 ? 八?可以用下式来表示? 八? ?一? ? ? 这里 , ? 电池反应中包括的电子数? ? 法拉第值? ?可逆电池的电动势 。 化学 世界 ? ? 年 而 电动势?又可用能斯脱方程式来针算 ? ? 。一 器 ? ? 黔 式中 , ? 。二标准电动势? ? ?

8、气体常数? ? 艳对沮度 ? “? ? ? ? ?在电动势为 ? 的电池中的反应物的活度的 乘积? , 为适当方次? , ? ? ? 在电动势为 ? 的电池中的生成物的活度的 乘积? ? 为适当方次? 。 燃料电池实际应用时 , 由于极化作用?由于偎度 、 褚度 、阻抗等 因素引起?关系 , 实际电压一般此理输断 路电压为低 。 如以?表示实际电压 , 那么然料电池的 实际能值是 ? , 而其理输能值是 ? 。 两者的此 例 , 郎 ? ? ? ? ? ? , 也就是普通当作燃料电池的 一个性能量度看待的 “电池效率刀。 现在此校成功的燃 料电池 , 它们的 “电池效率刀, 一般已樱达到 ?

9、? ? ? 另 种水平 。 由于燃料电池有可能把大部分热能林变成为直流 电能 , 。 因之它比蓄电池有着显著的优点 。 以扮蓄电池 为例 ? 单位重量供电能力是? ? 瓦 时?公斤 , 而氢 ? 氧燃 料电池的单位重量供电能力剧可达到? ? 瓦 时?公斤 。 粽上所远 , 燃料电池的特点可以归栖为 ? ? 热能 利用效率高? ? ?单位容量和单位重量的发电能力高? ? ? ?歌备翅巧简便?不需要笨重复杂的装置? ?不 发朋声 、 不生污尘?不如汽输发 电毅备那样影响环境? ? ?可以不断补充燃料 , 莲植运行? !由于嫩料电池 的发电原理基于化学能的利用 , 因之有可能与薛多化 学反应精合进

10、行 , 达到粽合利用能源的目的 。? 这些特 点 , 使人们对燃料电池产生强烈的兴趣 , 都想通过研究 歌验 , 使这一既适应特种用途?如草事工业需用不发附 声 、 不生污尘并趣得起震蔫的发电毅备?火箭 、人造卫 星等宇宙飞行装置需用袒巧筒便 、 电流密度蛟大的动 力? , 又有希望作为最樱济的能源来代替现行的发电装 置的新技术 , 及早成功 。 二 、 燃料电池的类型 淤料电池的分类 , 普通有下列三种方法 ? ? ? 按使用淤料的方法来分类凡 是直接使用 “ 原始搬料 ”的称为直接徽料电池。 例如 ? 用煤为搬料 , 电池反应只包括 ? ?十? ? ? 或者用天然气为燃 料 , 电池反应只

11、包括 ? ? ? ? ?分? ?连? ? 都 是道接型的 。 反之 , 凡是所用的燃料并非 “原始燃料冲 而是先用 “原始燃料刀变成另一种燃料然后 用于淤料电 池的称为简接嫩料电池 。 例如 ? 煤艇过气化 , 制成水煤 气 , 电池反应就不是? ?一?, 而是?和? ? 进 入电池反应 ? ? ? 一? ? ? ? ? ? 。 这就属于简接型了 。另一种? 酮接型燃料电池是氧化一还 原电池 。 这种嫩料电池是先用一种燃料来降低离子的 氧化程度 , 而只有后者进入电池反应?这在后面另行举 例魏明? 。 道到现在为止 , 可以貌还不曹制成过一个有效的 直接电池 。 大部分此蛟成功的搬料电池 ,

12、都是属于简 接型的 。 因之 , 这一分类方法 , 在目前貌来 , 没有多大 实际意义 。 ? ? 按使用燃料的性质来分类凡是用氢为搬料 的称为氢一氧燃料电池 , 凡是用含碳物质为燃料的称为 含碳物质 一氧燃料电池。 由于目前低温和中温燃料电池 , 几乎全部采用氢 为燃料 , 仅高温嫩料电池较多地采用含碳物质为燃料 , 因之 , 这一分类方法 , 也跟第一种一样 , 没有多大实际 意义 。 一般也不常用 。 ? ? 按工作温度来分类这是目前常用的分类方 法 。 按照这一方法 , 嫩料电池可以分为三种 类型 , 郎 低温型 、 中温型和高温型 。 所稍低温燃料电池是指 在室温或? ?以下工作的

13、, 中温燃料电池是指在 ? ? ?左右工作的 , 而高温燃料电池的工作温度创为 ?以上 。 按照第三种分类方 法 , 现有的此蚊有代表 性的嫩料电池有下列几 种形式 ? ? ? 低温燃料电池 低温搬料电池大部 用氢作燃料 , 用氧作氧 化剂 。 在低温情况下用 氢为燃料比用其他燃料 有很多优点 , 例如 ? 可以 谈得较高的电池压 力 , 在电极表面上的活性校 强等等 。 用氧为氧化剂 而不用空气 , 剧主要是 由于 电力大了以后 , 空 气中的氧不能及时扩散 到电极区域 , 易使电极 反应受到限制 , 极化现 系产生 , 电压也随之而 拢? 红板 一? ? 一今令 ? ? , 图? 柯代群式

14、低谧燃料 电池示意图 第? ?期化 学 降低 。 研究这一类型的燃料电池而获得蛟大成就的有苏 联的达符提揭? ? ? ? ? ? ? ? 、 美国的柯代静 ? ? ? ? ?、德国的朱斯蒂? ? ? ? 等 。 世界 ? 电解淮口宁柑 今以坷代爵式的低温燃料电池为例?见图 ? ? ? 仇? 这种淤料电池 , 采用多孔炭管为电极 。 因电极本 身是半僧水性的 , 因之有防止受潮?电池反应时 , 阳极 区域有水产 生?的可能 。 电解质用? ?氢氧化钾溶液 。 当显气通入多孔炭管时 , 产生电极反应 ? 阴极? ? ? ? 一斗? ? 阳极 ? ? ? ? ? ! ?# 因之 , 整个电池反应是:

15、H Z+ 1 / 202*H ZO , 反 应的自由能变为电能 , 阳极处有水产生 , 需投法使其蒸 发 , 以免影响 电极受潮 。 这种电池的最适工作温度是 6 0 6 5 。 这时 , 两 极简的电压差为0 . 8 5伏右左 , 电流密度是 2 0毫安/厘 米2(在1大气压下) 。 如果提高气体的压力至3大气 压 , 产生的电流就有45毫安/厘米2 , 断路电压提高到 1.1伏 。 这种电池在正常情况下操作 , 使用寿命 可达1年 以上 。 它的特点是桔构筒单 、 成本低 、 费用少 、 电池效 率高( 7 o多左右) 。 影响电池寿命的主要因素是电极受 潮尚题 。 柯代爵曹用各种方法加速水的蒸发 , 如:(l ) 在10 0 左右 (或更高温度)及蛟高压力(例如5大气 压)下操作;(i i)低温减压下操作;( ii i )利用气体流通 原理 , 控制气体流速(特别是氢的流速) , 使水分的蒸发 加速 (水分蒸发的速度与气体流速成比例关系);(iv ) 低曝操作 , 使水分进入电解质溶液(电解质溶液的滇精 须另有措施) 。 据 靛寿命可以延长好几倍 。 其中以第 三种方法此胶方便 。 这种嫩料电池在最近又有新的进展 , 据柯代薛报 告 , 他在195 9年的实毅中 , 曹达到20 0毫安/厘米 , 的 电流密度 , 压力为 . 1大