电化学读书报告2-田云生

1、中国地质大学（武汉）2016年电化学读书报告 报告题目：硬质合金电化学腐蚀行为的研究进展 报告作者：田云生 学 院：材料科学与化学工程学院 专 业：应用化学 班 级：031144 学 号：20141001960 指导老师：杨丽霞一、 摘要1二、 前言12.1燃料电池的发明12.2燃料电池的工作原理22.3 燃料电池的分类和应用4三、主要内容53.1 燃料电池与热机动力对比53.2燃料电池与电池对比73.3 燃料电池与氧阴极电解对比10四、读书报告结论与感言114.1结论114.2感言11五、 参考文献12一、摘要燃料电池是一种利用催化反应原理，使原料的化学能转化为电能的装置，近些年随着材料技术

2、的进步，燃料电池日益可靠高效，其经济性也逐步得到体现，正被应用于越来越多的领域。在氯碱工业中，使用氢燃料电池具有独特的优势，应引起重视和研究。二、前言2.1燃料电池的发明燃料电池目前已经在多个领域都进行了应用尝试，虽然说法上是一种“新型电池”，其出现并不新，早在1839 年， 英国物理学家威廉·格罗夫就制作了世界上第一个燃料电池。上世纪60 年代，美国首先将燃料电池用于双子星宇宙飞船， 但该电池由于采用聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作中发生膜降解，不但导致寿命缩短， 而且污染生产的水， 宇航员无法饮用，因此，在以后的阿波罗飞行中让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池。燃料电池是很有发展前途的新的动

3、力电源，这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，如应用于汽车、飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。虽名为“燃料电池”，但其并不是用来储存电能的电池，而是发电站， 产生电量的方式并不是像内燃机或外燃机一样使燃料燃烧产生能量， 而是使用催化反应原理使燃料的化学能直接转化为电能。其中最常见的燃料为氢，除了氢以外，一些碳氢化合物例如天然气、醇、和甲烷等有时也会作燃料使用。从原理上说，一切可以燃烧的气体或液体燃料，都可作为燃料电池的能源，比如煤气、沼气、液化石油气、酒精、甲醇汽油等。氢作为燃料化学转化最简单也最洁净， 不容易污染电极和膜，因此，目前技术最为成熟的

4、是氢燃料电池。随着技术进步，其他燃料电池也会逐步普及。氧化剂最常用的为空气，也可以用纯氧或双氧水。虽然燃料和氧化剂不同， 但大部分燃料电池的工作原理和工作模式都差不多。2.2燃料电池的工作原理燃料电池内部主要由3 个相邻区段组成：阳极、电解质和阴极。2 个化学反应发生在3 个不同区段的界面之间。燃料电池的工作原理是在电池内部让燃料与氧或其他氧化剂进行氧化还原反应， 从而把燃料的化学能转化为电能， 燃料与氧发生反应，最终产生水、二氧化碳等以及电能。需要指出，作为电池，对于外部为正极侧，对于电池内部是称为阴极；对于外部电路为负极侧，电池内部是阳极。为便于描述，本文都以电池内部称谓电极极性。典型的氢

5、氧燃料电池原理见图1。 在阳极上，通常需要用催化剂将燃料氧化，使燃料变成1 个正电荷的离子和1 个负电荷的电子。然后通过经特殊处理的电解质溶液或特殊的膜将电子和离子隔离，让离子通过电解质，阻隔电子，接着让被释放的电子穿过外部电路，因而产生电流。离子通过电解液前往阴极， 一旦达到阴极， 离子与电子团聚，并且与氧气反应，从而产生水或二氧化碳。氢氧燃料电池反应原理有酸式和碱式2 种；若电解质呈酸性，则阳极反应为： H2=2H+2e- 阴极反应： O2+4e-+4H+=2H2O若电解质呈碱性，则阳极反应式为： H2+2OH-=2H2O+2e- 阴极反应： O2+2H2O+4e-=4OH-电解质呈酸性电

6、解质呈碱性阳极反应式 H2=2H+2e- H2+2OH-=2H2O+2e-阴极反应式 O2+4e-+4H+=2H2O O2+4e-+2H2O=4OH-总反应式 2H2+O2=2H2O为阻挡阳极原料与阴极原料混合， 同时阻挡电子在电池内部移动， 阴极与阳极间通常设有质子交换膜（离子交换膜）。离子穿过交换膜从阳极到阴极，每摩尔离子通常会携带几摩尔的水合水， 这就使得水总是向生成水的一侧转移。为维持电池电解质的导电性和电池的正常运转，须持续供应氢、氧和水，及时排除反应产物（水）和废热。2.3 燃料电池的分类和应用燃料电池有不同的分类方法， 比如可按工作原理分类，按电解制分类，或按燃料分类，按工作温度

7、分类以及按开发顺序分类。（1）按工作原理分类。分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。（2）按电解质分类。分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC） 、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）及固体氧化物燃料电池（SOFC）。（3）按燃料分类。分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池及乙醇燃料电池。（4）按工作温度分类。分为低温燃料电池0200、中温燃料电池200500 及高温燃料电池5001500 。（5）按开发顺序分类。可分为第一代燃料电池、第二代燃料电池及第三代燃料电池。主流的燃料电池按电解质种类可分，主要为以下5 种：碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐

8、燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池。三、主要内容3.1 燃料电池与热机动力对比燃料电池对比传统动力机组具有非常大的能量利用优势，这是由工作原理决定的。燃料电池是通过电池组使化学能直接转化为电能，转换环节少，效率高，理论上可以达到100%；传统动力组是先使化学能转换为热能，再转换为机械能，然后可再转换为电能，转换环节多，效率低下。（1） 效率。无论是热机还是机组，其效率都受到卡诺热机效率的限制。目前，汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40%50%，当用热机带动时，其效率仅为35%40%；典型的燃料电池组，氢气转换为电能的效率目前可达到60%，而内燃机转换为机械能效率只能达到28%，超临

9、界发电机组发电效率可以达到50%， 燃气轮发电机组发电效率可以达到38%。从效率上都远不如燃料电池。燃料电池比内燃机的能量效率高， 以氢作燃料时效率达到60%左右，以甲醇作燃料（通过改质）时达到38%45%。燃料电池在低负荷下效率高， 在高负荷时随着负荷率增加有下降倾向， 但可短时达到200%负荷运行，负荷适应范围宽。与一般热力发电相比，燃料电池发电具有较高的理论转化效率。而在燃料电池中，燃料不是被燃烧变为热能，而是直接发电。在实际应用时，考虑到综合利用能量，其总效率可望在80%以上。比能量或比功率高，同样重的各种发电装置，燃料电池的发电功率大、污染小、噪音低、振动小。（2）污染。燃料电池作为

10、大、中型发电装置使用时，与火力发电相比，突出的优点是可以减少大气污染。此外，燃料电池自身不需要蒸发水冷却，减少了火力发电热排水的污染。对于氢氧燃料电池而言，发电后产物只有水， 所以在载人宇宙飞船等航天器中兼做宇航员的饮用水。火力发电则要排放大量残渣，并且热机引擎的机械传动部分所形成的噪音污染也十分严重。比较起来，燃料电池的操作环境要清洁、安静得多。（3）可靠性。燃料电池的发电装置是由单个电池堆叠成电池组，结构简单，没有复杂的转动设备，单个电池串联的电池组并联后再确定整个发电装置的规模。由于这些电池组合是模块结构，因而维修十分方便。燃料电池的可靠性还在于，即使处于额定功率以上过载运行时，都能承受

11、而效率变化不大；当负载有变化时，响应速度也快。这种优良的性能使燃料电池在电高峰期可作为储能电池使用， 保证火力发电发电站或核电站在额定功率下稳定运转， 电力系统的总效率得以提高。（4）适用能力。燃料电池可以使用多种多样的初级燃料。既可用于固定地点的发电站， 也可用作汽车、潜艇等交通工具的动力源。负荷应答速度快，启动或关闭时间短。设备占地面积小，建设工期短。燃料电池发电设备的构件小，可以全部积木化组装，制造和组装都可以在工厂进行， 建设工期远远短于传统发电设备。机器的配置亦可自由设计，使装置更加紧凑，大大减少占地面积，工程施工相当方便。（5）结构简单。燃料电池无转动设备，而不论是内燃机还是外燃机

12、组， 都需要复杂的机构和大量的转动部件，因此燃料电池具有结构简单、维护量小、安静无噪音和寿命长的优点，因此，理论上可以替代一切然油和燃气动力站发电站， 比如替代船用发动机、车用发动机、发电站。如使用燃料电池发电的全电舰艇和潜艇，噪音更小红外特征更少，有利于提高隐蔽性和战斗力。正由于燃料电池具有上述优点，故被公认为继火力发电、水力发电和核能发电技术之后的第四代化学能发电技术。燃料电池与热机相比的最大缺点是要用昂贵的催化剂，不能使用固体燃料和低质燃料；移动发电机组中气体燃料不易储存，比如氢燃料电池汽车，受到氢气的供应和储存制约， 目前补充燃料基础设施也不健全。3.2燃料电池与电池对比原理上看，燃料

13、电池是发电装置，电池是蓄电装置，但对用电侧来讲，两者功能一样，都可提供电力。燃料电池对比电池有许多优势。（1）稳定提供电力。燃料电池可以不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽，并且在燃料耗尽之后，能够快速补充燃料，再次进行供电，能有效提升作业的效率，如果能连续提供燃料，可以不间断提供电力。而电池必须经过充电、储存、放电循环过程，储存电量与电池体积成正比。相对锂电池来说，氢燃料电池更能适应环境， 在环境温度非常低的情况下不会出现锂电池那种断电的情况。（2）寿命长。燃料电池性能衰减很慢，一般氢燃料电池都比锂电池的使用寿命长几十倍。（3）环保。氢燃料电池非常的环保，其消耗氢燃料产生的排放物只是水或二氧化

14、碳等物质， 并且待电池报废后， 其中的膜和催化剂等材料都是可回收再利用。（4）比能量高。这是因为，对于封闭体系的电池与外界没有物质的交换，比能量不会随时间变化，但是燃料电池由于不断补充燃料，随着时间延长，其输出能量也越多，这样就可以节省材料，使装置轻，结构紧凑，占用空间小。燃料电池目前成本太高， 制作质子膜电池中膜的材料为全氟磺酸， 市面上全氟磺酸膜的成本300 美元/m2， 燃料电池以铂作为催化剂并通过氢气和氧气产生电能。最佳的反应模式就是在反应过程中覆盖铂金属层， 这些金属本身的价值高昂不说，还需要载体和做纳米技术处理，这就更加提升了成本。铂金属是地球上最稀有的几种金属之一， 大部分铂金属

15、存在于南非地区， 含量占全球80%，俄罗斯地区的铂金储量则占全球的10%。作为对比，2012 年，全球铂产量为179 t，而黄金的全球年产量则达到2 700 t，铂显得尤为珍贵。对金属铂的使用量，在现在的发电密度0.5 W/cm2 情况下，是用4 mg/cm2 的铂。在达到发电密度1W/cm2 时，铂的用量必须减少到1 mg/cm2 左右。采用更先进的工艺方法，使铂粉粒更分散化还有余地。今后的研究有望减少铂的使用量，或采用替代催化剂，并开发出高性能的电极。氢燃料源不易取得， 目前加氢站的发展还处于萌芽阶段，燃料的运送需要的标准也很高，不便于消费者移动和携带。氢燃料电池的安全性也引起关注，由于氢

16、的易燃易爆性，加之氢燃料的高压存储，给安全使用带来一定风险。在氯碱厂，氢来源反而不是问题，这就为氢燃料电池在氯碱厂应用扫清了主要障碍。燃料电池需要不断提供氧化剂， 比如不断需要空气，这样对于缺少空气的场合受到限制。燃料电池与电池比较，结构复杂超小型化困难，不利于超小型装置应用，比如电路板芯片供电等就不宜采用。3.3 燃料电池与氧阴极电解对比 表1 燃料电池与氧阴极对比结果 表2 燃料电池与氧阴极节电成本对比表从表1可以看出， 燃料电池的节电量只是氧阴极的61%， 这是由于燃料电池又经过一次电池过程，膜及界面电压损失不可避免；而氧阴极是在电解原理上减少阴极电位达到节能。从原理看，氧阴极更节能。如

17、果想节约更多的电，应该采用氧阴极技术；如果想节省投资和尽快回收， 国产氧阴极技术较合适，或采用燃料电池技术较为适宜，燃料电池与氧阴极节电成本对比见表2。从表2可以看出， 目前国际工业示范项目的成本还是燃料电池较低。如果不计氢气成本和氧气成本，两者的节电成本取决于两者的投资，相信随着技术进步和装置国内技术成熟， 节电成本会大幅度降低，这2 种技术都很有发展前途。四、读书报告结论与感言4.1结论由前述数据， 可知电石渣浆中乙炔平均含量为370.67 mL/kg。乙炔在25时密度约为1.072 5 g/mL。所以电石渣浆中乙炔平均含量为397.54 mg/kg，与文献上所述1 kg 电石渣浆中含乙炔300400 mg 基本相符。由甘肃银光聚银化工有限公司12 万t/aPVC 生产装置统计数据，其产生电石渣浆约170 t/h，渣浆回收装置回收乙炔60 kg/h，可计算出新上渣浆回收装置回收效率约为88.78%。4.2感言通过这次研究我主要学到了一种按照逐步采用对比法来寻找实验结果的最佳条件的办法，更重要的是认识到了所有的成果都是建立在无数的实验和测试的基础之上。5、 参考文献燃料电