化学电源和燃料电池演示课件

1、1,化学电源,直接把化学能转变为电能的装置，俗称电池,2,形形色色的电池,3,用途广泛的电池,用于汽车的铅蓄电池和燃料电池,化学电源,4,用途广泛的电池,用于“神六”的太阳能电池,笔记本电脑专用电池,手机专用电池,摄像机专用电池,各式各样的纽扣电池,5,电池的性能标准,1.电动势高,放电时电动势的下降及随时间的变化小; 2.质量比容量或体积比容量高,活性物质的利用率大; 3.维护方便,储存性及耐久性优异,价格低廉.,电池的容量(额定容量),在给定的放电条件下,电池放电至终止电压所放出的电量, 单位:安时(Ah).,比容量,单位体积的容量或单位质量的容量,6,电池的标识,电池的生产厂商、型号 电

2、池的种类,3. 额定电压,4. 额定容量,7,化学电源,一次电池,二次电池,燃料电池,碱性锌锰电池,铅蓄电池,氢氧燃料电池,锂离子电池,银锌蓄电池,普通锌锰干电池,银锌钮扣电池,一、化学电源的分类,8,二、一次电池,普通锌锰电池,1、普通干电池,负极,正极,电池反应：,氢氧化氧锰,（Zn）：Zn 2e- = Zn2+,（C）：,优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快,2MnO2+2NH4+2e- =2MnOOH+2NH3,Zn2MnO2+2NH4Cl =2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2,二氯化二氨合锌,9,2、碱性锌-锰电池,缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。,

3、优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电。,碱性电池,10,3、银锌钮扣电池,正极：Ag2O + H2O+ 2e- = 2Ag+2OH,负极：Zn +2OH-2e- = ZnO+H2O,总反应： Zn+ Ag2O = ZnO+ 2Ag,11,三、二次电池,1、铅蓄电池,12,放电过程总反应：,Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O,Pb + SO42- -2e- =PbSO4,正极：,PbO2 + 4H+SO42-+2e- =2PbSO4 +2H2O,氧化反应,还原反应,负极：,放电过程,铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程。,13,充电过程,PbSO4 +2e

4、- =Pb + SO42-,还原反应,阴极：,阳极：,PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H+ SO42-,氧化反应,接电源负极,接电源正极,充电过程总反应：,2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4,铅蓄电池的充放电过程：,Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,14,缺点：,比能量低、笨重、废弃电池污染环境。,优点：,可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。,其它二次电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池,15,2、碱性镍镉电池：,负极：,正极：,电池反应：,特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。,16,3、

5、镍氢电池：,负极：,正极：,电池反应：,特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环寿命长，耐过充放电能力强,17,4.锂离子电池(“摇椅电池”),锂离子电池可用下式表示： (-)Cn|LiPF6 EC+DEC |LiMO2(+),放电电极反应： (-) LixCn = Cn + xLi+xe- (+) Li1-xMO2+ xLi+ +xe-=LiMO2 电池反应: Li1-xMO2+ LixCn = LiMO2+ Cn 式中：M=Co、Ni、Fe、W等,DE、DEC为碳酸烷基酯类溶剂。,18,锂离子电池特点：,能量密度高，是镍镉电池的23倍，镍氢电池 的12倍 工作电压高，是镍镉、镍氢电池的

6、3倍 体积小，比镍氢电池小30% 质量轻，比镍氢电池轻50% 无记忆效应 无环境污染 寿命长,19,燃料电池,20,能源危机,中东地区: 石油储量最多, 占56.8%； 欧洲: 天然气和煤炭储量最多, 各占54.6%和45% 亚洲、大洋洲: 煤炭各占18%，石油、天然气只有5%,21,寻找新能源,寻找新能源 迫在眉睫！,22,现在生活、生产用能,后石油时代大型移动动力源如汽车动力源如何解决？ 1）生物燃料如生物柴油、乙醇等 2）开发高比能量的二次电池，发展电动车 3）以氢为能量载体，用燃料电池发电即所谓氢能经济,水电、火电、核电、风能发电、太阳能发电等,以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等）,

7、电池（手机、各种小型电动工具）,23,氢能经济,人类社会目前正处于“碳氢经济”时代，化石能是最主要的能源。 科学家研究发现，人类不断开发、利用新的“碳氢能源”的历史实际上是一个“脱碳”的历史。每一次能源革命的结果都是使“碳氢能源”中碳的含量降低，氢的含量上升。 人类最早使用的“碳氢能源”是木柴，后来发展到煤，又发展到石油、天然气。木柴中碳氢原子个数比约为10:1，煤约为2:1，石油为1:2；天然气为1:4。 每一次能源的“脱碳”都会推动人类社会的进步和文明程度的提高。,24,氢的优越性,氢的来源十分广泛，水、化石燃料（如石油、煤、天然气等）、植物和有机废物中都含有大量的氢； 氢是极好的能量载体

8、，发热值高，燃烧时副产品只有水，无污染； 氢可以以气态、液态或固态金属氢化物的形式出现，能适应运输、存储和各种应用环境的不同要求； 氢能的利用形式多样，可通过内燃机、涡轮机、燃料电池等装置将氢能转化成热能、机械能、电能，用于交通运输、供暖、发电等各个方面。,25,26,燃料电池的特点,、燃料电池：,燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能。,2、特点,一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。,燃料,氧化剂,负极,正极,电 解 质,导电离子,27,燃料电池

9、 vs. 一般电池,电化学装置; 将燃料之化学能直接转电能; 组成: 电极、电解质。,28,燃料电池分类,燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为六类： 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC） 磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 固体氧化物燃料电池（

10、solid oxide fuel cell-SOFC） 甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell，DMFC, PEMFC的一种）,29,各类燃料电池原理,30,燃料电池的应用,31,燃料电池发展历史,32,燃料电池电站,33,便携式电源,34,交通工具,35,军用设备,36,燃料电池的特点,(1) 高效 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85%-90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。,37,燃料电池的特点,(2

11、)环境友好 当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的，由于燃料电池具有高的能量转换效率，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。,38,燃料电池的特点,(3)安静 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m

12、的噪声水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。 (4)可靠性高 碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。,39,质子交换膜燃料电池（PEMFC）,阳极,阴极,H2 2H+ + 2e-,1/2 O2 + 2H+ +2e- H2O,40,质子交换膜燃料电池的构造,双极板,MEA 阴极+阳极+膜,单电池,电解质 质子交换膜,41,42,聚合物电解质膜,电解质膜使用的材料Nafion（Dupont）,Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名Teflon）形成膜的骨架，及附在Tef

13、lon端部，具有磺酸（HSO3）基团的侧链组成，环绕在磺酸侧链周围的含水区成为电解质。,43,膜电极（MEA）,膜电极通常由气体扩散层、催化层、电解质膜层等组成,铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上，催化剂一般为铂。,44,多孔气体扩散电极特点,电极的性能不单单依赖于电催化剂的活性，还与电极内各组份的配比，电极的孔分布与孔隙率，电极的导电特性等有关。也就是说，电极的性能与电极的结构和制备工艺密切相关。,O2,e-,H2O,H+,45,多孔气体扩散电极的目的,在燃料电池中，采用多孔气体扩散电极： 是增加真实的电化学反应区，提高多孔气体扩散电极的表观（几何）电流密度i； 是减薄液相传质层厚度，提高反应

14、区反应物浓度，增加i0 。而提高 i0最有效的方法还是提高电催化剂的活性。,46,贵金属电催化剂,铂是首选的低温燃料电池电催化剂。对氢氧化，交换电流密度可高达0.1-100mA/cm2。用其作电催化剂，制备的多孔气体扩散电极，当其工作电流密度高达每平方厘米几百毫安时，极化仅有1-20mv，接近可逆电极。 而将其用于氧还原时，交换电流密度最高为每平方厘米几微安，在室温交换电流密度可低至10-10A/cm2。因此氧电极是典型的不可逆电极。据此用纯氢、纯氧作燃料和氧化剂的氢氧低温燃料电池，极化主要产生在氧电极，和电解质产生欧姆电位降（欧姆极化）。,阴极：cathode,阳极：anode,47,双极板,实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板，同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴极和阳极接触，同时双极