燃料电池工作原理及发展前景

燃料电池工作原理及发展前景 专业:化学工程 班级:化工1002 姓名:刘易杭 学号:201044226 能量潘朵拉 ——简述燃料电池工作原理及发展前景 听到氢气，甲烷，一氧化碳你能想到什么,你会觉得燃烧它们可以烹饪出美味的佳肴,你会觉得在这寒冷的冬天燃烧它们会带给我们温暖,甚至你会觉得若是在蒸汽时代燃烧它们可以驱动笨重的蒸汽机车和轮船前往自己的目的地,你out了～在科技高速发达的今天，有一种高效又清洁的利用它们的方式——燃料电池。 首先我们对燃料电池进行一下基本的介绍:燃料电池是一种等温进行，直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效，无污染的转换成电能的发电装置。通过基本的介绍可知，燃料电池输出的是电能，在现实生活中电能是一种清洁的能源，利用电能的过程中没有任何污染产生，因此燃料电池输出的能源是清洁的。但是，燃料电池的发电过程是等温过程，可能会造成散热上的麻烦，这也是燃料电池的一个缺点。 燃料电池的发电原理和化学电源一样，由电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢气，甲烷，一氧化碳等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程;导电离子在将阴，阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。由原理可以分析出，燃料电池的基本组成结构有:阴极，阳极，电解质三个基本。 燃料电池与常规化学电源不同，而更类似于汽油，柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池中，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断的向电池内输送燃料和氧化剂，排出反应物，同时也要排出一定的废热，以维持电池工作温度恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其储存能量的大小则由储存在储罐中的燃料和氧化剂的多少而决定。 下面我们以氢燃料电池为例具体分析一下燃料电池的工作原理: 氢氧燃料电池原理简图 1，,反应方程式:; HOHO2222 燃料氢气在阳极在催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子(氢离子)释放到电解质中并生成自由电子在电路中产生电能; 氧化剂氧气在阴极在催化剂的作用下发生化原反应，生成阴离子(若是在酸性条件下 ,OH则生成，若是在碱性条件下则生成)释放到电解质中并接受由阳极产生的自由HO2 电子从而完成电能的输送; 由阴，阳极反应产生的阴，阳离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的 1 专业:化学工程 班级:化工1002 姓名:刘易杭 学号:201044226 另一个电极上，生成反应产物并随未发生反应的反应物一起排到电池外; 由阳极发生氧化反应产生的自由电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应达到物质平衡和电荷平衡，这样外部用电器就获得了燃料电池所产生的电能。 说过了燃料电池的原理，下面我们说说燃料电池的分类。按工作温度可划分为低温燃料电池，中温燃料电池和高温燃料电池三大类。其中，低温燃料电池按照电解质的不同又可分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池和直接甲醇燃料电池。而中温燃料电池通常指的是熔融碳酸燃料电池，高温燃料电池通常指的是固态氧化物燃料电池。下面分别进行简要的介绍。 碱性燃料电池指的是其电解质溶液为强碱溶液，如NaOH溶液。则其正，负极反应分 ,,别为:负极:; 2H，4OH,4e,4HO22 ,, 正极:; O，2HO，4e,4OH22 质子交换膜燃料电池是以质子交换膜作为电解质，其正，负极反应分别为: ， 负极:; 2H,4e,4H2 ， 正极:; O，4H，4e,2HO22 注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。若质子交换膜燃料电池的燃料为甲醇而不是由甲醇经过重整后的氢气，则称为直接甲醇燃料电池。实际上直接甲醇燃料电池属于质子交换膜燃料电池的一种。 磷酸燃料电池使用液体磷酸为电解质，其常温下为固体，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200?左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。则其正，负极反应分别为: ,， 负极:2H，4HO,4e,4HO; 223 ，, 正极:; O，4HO，4e,8HO232 熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。工作温度问600~700?，因此被分类到中温燃料电池。则其正，负极反应分别为: 2,, 负极:2H，2CO,4e,2CO，2H0; 2322 ,2, 正极:O，2CO，4e,2CO; 223 固态氧化物燃料电池使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质。其工作温度位于800-1000?之间。因此被分类到高温燃料电池。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定，然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。 最后，我们了解了氢氧燃料电池的工作原理及各种不同燃料电池的特性，根据 2 专业:化学工程 班级:化工1002 姓名:刘易杭 学号:201044226 这些特性，我们下面简要分析一下燃料电池的优点。首先，燃料电池能高效的把燃料和氧化剂转化成电能。由于只是在电极上发生一次催化作用而发生氧化，还原反应，所以能量损失少，效率高，优于其他的发电装置。其次，燃料电池的产物对环境没有污染，如氢氧燃料电池产物为水，甲烷燃料电池产物为水和二氧化碳，一氧化碳燃料电池产物为二氧化碳和水，对环境没有污染，是环境友好性发电装置。再次，燃料电池没有动态部件，整个发电过程是静态过程，有利于系统的稳定运行。最后，燃料电池有组件，可通过改变组件大小将改变其能量输出。输出功率可以从几瓦到几百万兆瓦。以实现燃料电池对不同场合都能适用。 燃料电池高效，无污染，适应能力强。是21世纪非常好的发电装置。腾讯网上发布了《中国首架纯燃料电池无人机首飞》的新闻。文章中指出，日前，由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛飞机公司历时一年多时间共同研制的我国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”，在上海奉贤海边首次试飞成功。该无人机可升至2000米以内高空，时速为30公里，可连续飞行两小时，非常适合用于环境监测、战场侦察等领域。由此可见，燃料电池的应用范围是非常广泛的。 老师，无意中在腾讯网上看见的新闻让我选定了燃料电池原理为自己大作业的主，这篇文章来自老师上课传授的知识和在网上查阅的部分内容。老师一学期来辛苦的讲课对我帮助很大，让我了解了能源的分类，煤，石油，天然气，生物质能，氢能及超级电容器的部分知识，平时由于学生工作的原因没有全勤配合老师的教学，以后定将改正，这里也为我的过错向老师表达诚挚的歉意。能选上老师课也是我们师生的缘分，最后，祝老师工作顺利，身体健康，生活美满。 3