当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第七章 燃料电池 > 第一节 燃料电池基础知识 > 燃料电池基础知识
大家好
今天我们开始燃料电池章节的学习
本章内容包含四个部分
首先会给大家介绍燃料电池的基础知识
在此基础上我们将学习燃料电池的分类
接着介绍燃料电池的
主要燃料类型—氢的制取
最后结合燃料电池概述氢的运输
储存和应用
第一节我们先来学习燃料电池的基础知识
燃料电池是一种不经过燃烧
直接以电化学反应的方式
将燃料的化学能转变为电能的发电装置
又称电化学发电器
它是继水力发电
热能发电和原子能发电之后的
第四种发电技术
具有高效利用能源
而又不污染环境的特点
需要注意的是
虽然燃料电池按电化学原理
将化学能转化成电能
但是它的工作方式却与内燃机相似
为什么这么说呢
因为它在工作时
必须不断地向电池内部
送入燃料与氧化剂
与此同时
它还要排出与生成量相等的反应产物
如氢氧燃料电池中所生成的水
那么燃料电池是如何工作的呢
燃料电池按电化学原理
等温的把储存在燃料
和氧化剂中的化学能直接转化为电能
首先在电池中增湿后的氢气
通过双极板上的气体通道穿过扩散层
到达阳极催化剂层
在铂催化剂的作用下
氢气发生反应转化为氢离子和电子
随后氢离子进入质子交换膜
与膜中磺酸基上的氢离子发生交换
使之到达阴极
与此同时
阴极增湿的氧气
也从双极板通过阴极扩散层
吸附于阴极电催化剂层中
并与交换而来的氢离子
在铂的催化作用下反应生成终产物水
最后生成的水随着尾气排出电池
那么对于一个氧化还原反应而言
原则上我们可以将其分为两个半反应
即一个为氧化剂的还原反应
另一个为还原剂的氧化反应
以最简单的氢氧反应为例
即为上述燃料电池的工作原理
所以
氢离子在将两个半反应
分开的电解质内迁移
电子通过外电路定向流动并做功
构成总的电的回路
氧化剂发生还原反应的电极称为阴极
其反应过程称为阴极过程
对外电路按原电池定义为正极
那么相同的道理
还原剂发生氧化反应的电极称为阳极
其反应过程称为阳极过程
对外电路定义为负极
通过以上内容的讲解
我们已经知道燃料电池与常规电池不同
具体来说
它的燃料和氧化剂
不是储存在电池内部的
而是储存在电池外部的储罐中
当它持续输出电流并做功时
需要源源不断的向电池内
输入燃料和氧化剂
并同时排出反应物与热量
因此从工作方式上来看
燃料电池更类似于常规的
汽油或柴油发电机
由于燃料电池工作时
要连续不断的向电池内
送入燃料和氧化剂
所以燃料电池所使用的燃料
和氧化剂均为流体
即气体或者液体
最常用的燃料为纯氢
甲醇水溶液和诸如重整气等
各种富含氢的气体
而常用的氧化剂为纯氧
净化空气等气体以及诸如过氧化氢
硝酸的水溶液等液体
进一步而言
通常作为燃料和氧化剂的气体
在电解质溶液中的溶解度很低
为了提高燃料电池的实际工作
电流密度并减少极化
一方面应增加电极的真实表面积
另一方面应该尽可能减少
液相传质的边界层厚度
新型多孔气体扩散电极
就是为了适应这种要求而被研制出来
也正是因为此类新型电极的出现
才使燃料电池从原理研究层面
发展到如今的实用阶段
我们来看看为何多孔气体扩散电极
在燃料电池中扮演着如此重要的角色
由电极反应方程式可知
为使反应在电催化剂处
连续而稳定的进行
电子必须传递到反应点
即电极内必须有电子传导通道
通常
电子传导通道的功能
由导电的电催化剂来实现
另外燃料和氧化剂气体
须迁移扩散到反应位点
即要求电极必须具有气体扩散通道
气体扩散通道
由电极内未被电解液填充的孔道充当
除此之外
电极反应中有离子参加
即电极内还必须有离子传导通道
而离子传导的通道
由浸有电解液的孔道构成
对于低温燃料电池而言
电极反应所生成的
终产物水须使之迅速离开电极
即电极内还应当有液态水的迁移通道
这项任务由亲水的电催化剂中
被电解液填充的孔道来完成
所以
多孔气体扩散电极
通过其特殊的孔分布及孔隙率性质
保证了燃料电池的正常工作
除阴极和阳极外
燃料电池另外两个主要构成
组件为电解质隔膜和集电器
电解质隔膜的主要功能
在于分隔氧化剂与还原剂
并传导离子
故理论上而言电解质隔膜越薄越好
但也需注意强度
目前
燃料电池的隔膜材质主要有两个方向
一种是以石棉膜 碳化硅膜
铝酸锂膜等绝缘材料制备的多孔隔膜
另一种则是全氟磺酸树脂新型隔膜
集电器又称作双极板
具有收集电流
物理分割氧化剂与还原剂
支撑膜电极
保持电池堆结构稳定
以及疏导反应气体等功能
集电器的性能
主要取决于其材料特性
流场设计及其加工技术
总体而言
燃料电池的性能
不能单单依赖于电催化剂的活性
还与电极性能 隔膜材质
电解质组分及集电器性能有着密切关系
在协同作用下
赋予了燃料电池诸多优点
从理论上来讲
只要连续供给燃料
燃料电池便能持续发电
其发电效率高
不受卡诺循环的限制
环境污染小
二氧化碳的排放量
比热机过程减少百分之四十以上
燃料范围广
含有氢原子的物质都可以作为燃料
除此之外
燃料电池还具有比能量高 噪音低
可靠性高和易于建设等诸多特性
燃料电池应用技术发展未来可期
好这节课
我们介绍了燃料电池的基础知识
包括燃料电池的定义 特点 组成
工作原理及方式
本节内容到此结束
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--课程概述
-第二节 课程基本知识
--课程基本知识
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--煤炭概述
-第二节 煤炭直接液化
--煤炭直接液化
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-第四节 煤炭间接液化-合成气制油品
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--燃料电池基础知识
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--燃料电池的分类
-第三节 氢气的制取
--氢气的制取
-第四节 氢气的运输和储存
--氢气的运输和储存
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-第四节 超级电容器的电极材料
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--二氧化碳捕集方法
-第四节 二氧化碳利用与封存技术