现代化学 文献综述

《现代化学 文献综述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、燃料电池的概况与发展能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明，人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。现在我们赖以生存的能源体系中，80%都依靠化石燃料——煤和石油。煤和石油是不可再生资源，会很快被用尽。而且随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，这种转化受卡诺循环及材料的限制

2、，效率很低，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染。随着世界化石燃料储藏量的不断减少，地球生态环境的日益恶化，人类正面临有史以来最严重的环境危机。由于人口急剧增加，资源消耗日益扩大，人口与资源的矛盾越来越尖锐；此外，人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时，大量排放的工业污染物及生活污染物使人类的生存环境更迅速恶化。因此，燃料电池越来越被重视。多年来人们一直在努力寻找既有较高能源利用率又不污染环境的能源利用方式，燃料电池发电技术就是其中的一种。早在内燃机问世之前，1

3、839年英国人威廉·格罗夫（WillianGrove）就展示了世界第一台以稀硫酸为电解质，氢气和氧气为燃料的电化学电能转化装置。然而在20世纪50年代之前，由于电极过程动力学理论的落后以及内燃机这种相对简单的能量转化装置的应用，燃料电池的发展一直处于停滞状态。直到20世纪60年代，美国用燃料电池为阿波罗等宇宙飞船提供电源。在宇航工业发展的推动下，常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展，但由于当时燃料电池系统造价昂贵，因此只应用在航天、军事等特殊场合。近年来，由于矿物资源的日趋贫乏和生态环境问题日益受到重视，为此人们迫切希望发展高效的、既可节省

4、有限矿物资源同时又可减少CO2排放的发电技术。燃料电池发电技术正好能够满足以上要求，因此重新受到了人们的重视。燃料电池（FC）是继火力、水力和核能之后的第四种发电方式，传统的发电方式是通过燃烧过程将燃料的化学能转化为热能，再通过一系列的转换，最终转化为电能。由于热机循环受到“卡诺定律”的限制，因而转换效率很低，一般在30%～40%。再加上电厂离用户比较远，长距离输电过程中电能又会损失一部分，所以一次能源的利用效率很低。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电化学过程，直接转化为电能，同时释放出热量。因为不经过燃烧过程，因而能量转换效率

5、不受“卡诺循环”限制，因此发电效率可达60%～80%以上，实际使用效率是内燃机的2～3倍。若充分利用余热回收，燃料电池的总效率可达85%，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。燃料电池的组成与一般电池基本相同，其单体电池是由正负两个电极（负极为燃料电极，正极为氧化剂电极）以及电解质组成；不同的是，一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量，而燃料

6、电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此，燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池中的化学反应是电解水的逆过程，具体电极反应为：负极H+2OH-→2H2O+2e正极0.5O+H2O+2e→2OH-电池反应H+0.5O2→H2O另外，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等，燃料电池才能工

7、作。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板及其两侧配置的燃料极（阳极）、空气极（阴极）和气体流路构成，气体流路的作用是给燃料电池输送燃料气体和空气（氧化剂气体）。实用的燃料电池中因电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极H2=2H++2e(1)气极2H++0.5O2+2e=H2O(2)总反应H2+0.5O2+2e=H2O(3)在燃料极中，供给的燃料气体中的H2变为H+和自由电子；H+移动到电解质中与空气极一侧供给的O2发生反应；自由电子经由外部的负荷回路，再返回

8、到空气极一侧，参与空气极一侧的反应。从反应式(3)可以看出，H2和O2生成H2O，除此以外没有其他反应，H2所具有的化学能转变成了电能。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷