化学电源和燃料电池

1、直接把化学能转变为电能的装置，俗称直接把化学能转变为电能的装置，俗称电池电池 形形色色的电池形形色色的电池 A A CuZn 稀稀H H2 2SOSO4 4KOH溶液溶液CH4 O2 2 H2Oa极极 b极极用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用于用于“神六神六”的太阳能电的太阳能电池池笔记本电脑专用电池笔记本电脑专用电池手机专用电池手机专用电池摄像机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电各式各样的纽扣电池池电池的性能标准电池的性能标准1.1.电动势高电动势高, ,放电时电动势的下降及随时间的变化小放电时电动势的下降及随时间的变化小; ;2.2.质量比容量或体积比容量高质量

2、比容量或体积比容量高, ,活性物质的利用率大活性物质的利用率大; ;3.3.维护方便维护方便, ,储存性及耐久性优异储存性及耐久性优异, ,价格低廉价格低廉. .电池的容量电池的容量(额定容量额定容量)在给定的放电条件下在给定的放电条件下, ,电池放电至终止电压所放出的电量电池放电至终止电压所放出的电量, ,单位单位: :安时安时(Ah).(Ah).比容量比容量单位体积的容量或单位质量的容量单位体积的容量或单位质量的容量电池的标识电池的标识电池的生产厂商、型号电池的生产厂商、型号电池的种类电池的种类 3. 额定电压额定电压 4. 额定容量额定容量 化学电源化学电源一次电池一次电池二次电池二次电

3、池燃料电池燃料电池碱性锌锰电池碱性锌锰电池铅蓄电池铅蓄电池氢氧燃料电池氢氧燃料电池锂离子电池锂离子电池银锌蓄电池银锌蓄电池普通普通锌锰锌锰干电池干电池银银锌钮扣电池锌钮扣电池一、化学电源的分类一、化学电源的分类二、一次电池二、一次电池普通锌锰电池普通锌锰电池锌筒锌筒石墨棒石墨棒MnO2和和C普通锌普通锌- -锰干电池的结构锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2 和和 H2O等等1、普通干电池、普通干电池负极负极正极正极电池反应：电池反应：氢氧化氧锰氢氧化氧锰（Zn）：）：Zn 2e- = Zn2+（C）：）：优点：制作简单、价格便宜。优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快缺点：

4、放电时间短，电压下降快2MnO2+2NH4+2e- =2MnOOH+2NH3Zn2MnO2+2NH4Cl =2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2二氯化二氨合锌二氯化二氨合锌2、碱性锌、碱性锌-锰电池锰电池电解质：电解质：KOH负极：负极：(Zn)(Zn)Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2正极：正极：(C)(C)2MnO2+ 2H2O+ 2e- = 2MnOOH+2OH-缺点：缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。优点：优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电。和连续放电。电池反应：

5、电池反应：Zn+ 2MnO2+ 2H2O = 2MnOOH+ Zn(OH)2碱性电池碱性电池 3、银、银锌锌钮扣电池钮扣电池正极：正极：Ag2O + H2O+ 2e- = 2Ag+2OH负极：负极：Zn +2OH-2e- = ZnO+H2O总反应：总反应： Zn+ Ag2O = ZnO+ 2Ag三、二次电池三、二次电池1、铅蓄电池放电过程总反应：放电过程总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O Pb + SO42- -2e- =PbSO4 正极：正极：PbO2 + 4H+SO42-+2e- =2PbSO4 +2H2O 氧化反应氧化反应 还原反应还原反应负极：负极：放电过程放

6、电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程。铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程。充电过程充电过程PbSO4 +2e- =Pb + SO42- 还原反应还原反应阴极：阴极：阳极：阳极：PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H+ SO42- 氧化反应氧化反应接电源负极接电源负极接电源正极接电源正极充电过程总反应：充电过程总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程：铅蓄电池的充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O放电放电充电充电缺点：缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境。比能量低、笨重、废弃电池污染环境。优点：优

7、点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。价格低廉。其它二次电池其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池离子蓄电池2 2、碱性镍镉电池：、碱性镍镉电池：)(Cd KOH NiOOH负极：负极：222()CdOHeZn OH正极：正极：22()NiOOHH OeNi OHOH电池反应：电池反应：22222()()CdNiOOHH OCd OHNi OH特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。3 3、镍氢电池：、镍氢电池：)(xM

8、H KOH NiOOH负极：负极：2xMHxOHxeMxH O正极：正极：22()NiOOHH OeNi OHOH电池反应：电池反应：2()xMHxNiOOHMxNi OH特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环寿命长，耐过充放电能力强寿命长，耐过充放电能力强4.锂离子电池锂离子电池(“摇椅电池摇椅电池”)锂离子电池可用下式表示：锂离子电池可用下式表示： (-)Cn|LiPF6 EC+DEC |LiMO2(+) 放电电极反应：放电电极反应： (-) LixCn = Cn + xLi+xe- (+) Li1-xMO2+ xLi+ +xe-=LiMO

9、2电池反应电池反应: Li1-xMO2+ LixCn = LiMO2+ Cn式中：式中：M=Co、Ni、Fe、W等等,DE、DEC为碳酸烷基酯为碳酸烷基酯类溶剂。类溶剂。锂离子电池锂离子电池特点：特点：能量密度高，是镍镉电池的能量密度高，是镍镉电池的23倍，镍氢电池倍，镍氢电池 的的12倍倍工作电压高，是镍镉、镍氢电池的工作电压高，是镍镉、镍氢电池的3倍倍体积小，比镍氢电池小体积小，比镍氢电池小30%质量轻，比镍氢电池轻质量轻，比镍氢电池轻50%无记忆效应无记忆效应无环境污染无环境污染寿命长寿命长燃料电池燃料电池燃燃 料料 电电 池池能源危机能源危机 中东地区中东地区: 石油储量最多石油储量最

10、多, 占占56.8%； 欧洲欧洲: 天然气和煤炭储量最多天然气和煤炭储量最多, 各占各占54.6%和和45% 亚洲、大洋洲亚洲、大洋洲: 煤炭各占煤炭各占18%，石油、天然气只有，石油、天然气只有5%燃燃 料料 电电 池池寻找新能源寻找新能源寻找新能源迫在眉睫！燃燃 料料 电电 池池现在生活、生产用能现在生活、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？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 固定能源固定能源移动动力源移动动力源 化学能源化学能源水电、火电、核电

11、、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）燃燃 料料 电电 池池氢能经济氢能经济 人类社会目前正处于人类社会目前正处于“碳氢经济碳氢经济”时代，化石能是最主时代，化石能是最主要的能源。要的能源。 科学家研究发现，人类不断开发、利用新的科学家研究发现，人类不断开发、利用新的“碳氢能源碳氢能源”的历史实际上是一个的历史实际上是一个“脱碳脱碳”的历史。每一次能源革命的历史。每一次能源革命的结果都是使的结果都是使“碳氢能源碳氢能源”中碳的含量降低，氢的含量中碳的含量降低，氢的含量上升。上升。 人类最早使用的人类最早使用的“碳氢能源碳氢能源”是木柴，后来

12、发展到煤，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，煤约为2:1，石油为，石油为1:2；天然气为；天然气为1:4。 每一次能源的每一次能源的“脱碳脱碳”都会推动人类社会的进步和文明都会推动人类社会的进步和文明程度的提高。程度的提高。燃燃 料料 电电 池池氢的优越性氢的优越性 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； 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； 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

13、求； 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。燃燃 料料 电电 池池燃燃 料料 电电 池池燃料电池的特点燃料电池的特点、燃料电池：、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、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。燃料燃料氧化剂氧化剂负极负极正极正极电电 解解 质质导电离子导电离子燃燃 料料 电电 池池燃料电池燃料电池 vs. 一般电池一般电池工

14、作原理工作原理反应物反应物寿命寿命电极电极流道流道燃料电池燃料电池能量转换装置能量转换装置外部外部无限制无限制稳定稳定一般电池一般电池能量储存装置能量储存装置内部内部反应物数量反应物数量消耗消耗电化学装置电化学装置;将燃料之化学能直接转电能将燃料之化学能直接转电能;组成组成: 电极、电解质。电极、电解质。燃燃 料料 电电 池池燃料电池分类燃料电池分类 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（质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cel

15、l-PEMFC） 碱性燃料电池（碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC）磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC)固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC）甲醇燃料电池（甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell，DMFC, PEMFC的一种）的一种）燃燃 料料 电电 池池各类燃料电池原理各类燃料电池原理燃燃 料料 电电 池池燃料电池的应用燃料电池的应

16、用燃燃 料料 电电 池池燃料电池发展历史燃料电池发展历史燃燃 料料 电电 池池燃料电池电站燃料电池电站燃燃 料料 电电 池池便携式电源便携式电源燃燃 料料 电电 池池交通工具交通工具燃燃 料料 电电 池池军用设备军用设备燃燃 料料 电电 池池燃料电池的特点燃料电池的特点(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。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极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效

17、率均在均在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达料的总利用率可高达80%以上。以上。燃燃 料料 电电 池池燃料电池的特点燃料电池的特点(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碳的排放量比热机过程减少40%以上，这以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由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于燃料电池的燃

18、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，从时，它的化学反应产物仅为水，从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 电电 池池燃料电池的特点燃料电池的特点(3)安静 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。燃料电池按电化学原理工作，运动

19、部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kW磷酸燃料电池电站磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是的噪声水平是60dB。而而4.5MW和和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于噪声水平已经达到不高于55dB的水平。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。和不间断电源使用。燃燃 料料 电电 池池质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PE

20、MFC）阳极阴极OHO21H222燃燃 料料 电电 池池质子交换膜燃料电池的构造质子交换膜燃料电池的构造双极板双极板MEA阴极阴极+阳极阳极+膜膜单电池单电池电解质电解质质子交换膜质子交换膜燃燃 料料 电电 池池燃燃 料料 电电 池池聚合物电解质膜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。燃燃 料料 电电 池池膜电极（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。燃燃 料料 电电 池池多孔气体扩散电极特点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+燃燃 料料 电电 池池多孔气体扩散电极的目的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：在燃料电池中，采用多孔气体扩散电极： 是增加真实的电化学反应区，提高多孔