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燃料電池的電極是什么材料的

鉅大LARGE  |  點擊量:6259次  |  2018年06月15日  

摘要
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。


燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所,其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。


常用的燃料電池的電極有:


①氫氧燃料電池:


氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑(Pt)或石墨做電極材料,負極通入H2,正極通入O2,


總反應為:2H2+O2===2H2O


②甲醇燃料電池:


甲醇燃料電池以鉑為兩極,用堿或酸作為電解質:


1.堿性電解質(KOH溶液為例)


總反應式:2CH4O+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O


2.酸性電解質(H2SO4溶液為例)


總反應:2CH4O+3O2===2CO2+4H2O


③甲烷燃料電池:


甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極,電解質溶液為KOH,生成的CO2還要與KOH反應生成K2CO3,所以總反應為:CH4


+2KOH+2O2===K2CO3+


3H2O。


④鋁–空氣–海水電池:


我國首創以鋁–空氣–海水電池作為能源的新型海水標志燈,以海水為電解質,靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產生電流。只要把燈放入海水中數分鐘,就會發出耀眼的白光。電源負極材料為:鋁;電源正極材料為:石墨、鉑網等能導電的惰性材料。


總反應式為:4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3


燃料電池的電極要求即不能在工作中參加反應被消耗掉又要有相當的活性,即要有催化作用,降低反應發生的條件提高反應的速度使反應能順利進行,當然石墨電極是最廉價的了,但可能是使石墨不易進行的反應,而用別的電極(如鉑)卻能順利進行,這也正是許多理論上可行的燃料電池,實際上卻不易付諸實施的原因之一。


燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能,不受卡諾循環效應的限制,因此效率高;另外,燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件,故沒有噪原料,排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見,從節約能源和保護生態環境的角度來看,燃料電池是最有發展前途的發電技術。


將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行,具有很高的經濟性。目前實際運行的各種燃料電池,由于種種技術因素的限制,再考慮整個裝置系統的耗能,總的轉換效率多在45%~60%范圍內,如考慮排熱利用可達80%以上。此外,燃料電池裝置不含或含有很少的運動部件,工作可靠,較少需要維修,且比傳統發電機組安靜。另外電化學反應清潔、完全,很少產生有害物質。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發展前途的能源動力裝置。[2]


燃料電池是一種電化學的發電裝置,等溫的按電化學方式,直接將化學能轉化為電能而不必經過熱機過程,不受卡諾循環限制,因而能量轉化效率高,且無噪音,無污染,正在成為理想的能源利用方式。同時,隨著燃料電池技術不斷成熟,以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源,燃料電池的商業化應用存在著廣闊的發展前景。[3]


燃料電池是一種能量轉化裝置,它是按電化學原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能,因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,電子經外電路傳導到陰極并與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質遷移到陽極上,與燃料氣反應,構成回路,產生電流。同時,由于本身的電化學反應以及電池的內阻,燃料電池還會產生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外,也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時,陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結構,以便于反應氣體的通入和產物排出。電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路,電解質通常為致密結構。


燃料電池其原理是一種電化學裝置,其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部,因此,限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質,只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時,燃料和氧化劑由外部供給,進行反應。原則上只要反應物不斷輸入,反應產物不斷排除,燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池


氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為:負極:H2+2OH-→2H2O+2e-


正極:1/2O2+H2O+2e-→2OH-


電池反應:H2+1/2O2==H2O


另外,只有燃料電池本體還不能工作,


燃料電池


燃料電池


必須有一套相應的輔助系統,包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。


燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成,氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。


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