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原电池教学反思

—— 燃料电池点滴

作者:化学组 栗志斌


一、 燃料电池简介

燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置,是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。由于它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化,因此转换过程中能量损失少。此外,还具有以下优点:

(1)部分负荷时也能保持高的效率;

(2)通过与燃料供给装置的组合,可适用范围的燃料种类多;

(3)由于输出功率单位由堆的输出功率决定,故机组容量具有自由度;

(4)电池本体的负荷响应性好;

(5)(5)NOX及SOX等的排出量少,有利环保。由于以上优点,近年来已在积极地进行开发。

依据电解质的不同,燃料电池(Fuel Cell, FC)分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

也可以按照工作温度的不同,把碱性燃料电池(工作温度为100℃以内)、质子交换膜燃料电池(工作温度为100℃以内)和磷酸型燃料电池(工作温度为200℃左右)称为低温燃料电池;把熔融碳酸盐燃料电池(工作温度为650℃左右)和固体氧化物燃料电池工作温度为800-1000℃)称为高温燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的,把PAFC称为第一代燃料电池,MCFC称为第二代燃料电池,SOFC和PEMFC等称为第三代燃料电池。

燃料电池是一种电化学装置,其电池单体是由正负两个电极(负极即输入燃料的电极,正极即输入氧化剂的电极)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,因此,限制了电池容量。而燃料电池的正、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设备。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。燃料电池本体通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(负极)和空气极(正极)、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。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。另外,只有燃料电池本体还不能工作,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。

二、 燃料电池电极方程式典例分析

在中学阶段这部分知识的难点是电极方程式的书写。

看到不少介绍都是说写出一个极的式子,然后拿总式去减。这当然是得分的一种方法。但这样难以达到兴举一反三,不利于能力的培养。其实只要掌握其基本方法,书写起来一点也不难。

书写时掌握基本原则:负极燃料先考虑其失电子生成阳离子,失电子的多少参考总式中被氧化元素的价态;正极氧气得电子生成O2-,然后考虑与电解质离子的结合。

例1.氢氧燃料电池

总式:2H2+O2=2H2O。

[分析] 负极:H2-4e- = 4H+ , 正极:O2+4e- =2 O2-。若是酸性电解质溶液,H+只简单进入溶液,而O2-不能在水中独立存在,大量的H+必与之结合成水,则两极电极方程式分别为,负极:2H2-4e- = 4H+,正极O2+4H++4e- =2 H2O;若是强碱性电解质溶液,H+进入溶液后与OH-结合成水,而O2-在中、碱性条件下只能与H2O结合成为OH-。则两极电极方程式分别为,负极:2H2 +4OH--4e- = 4H2O,正极O2+4H2O+4e- = 4OH-。

例2.碱性甲醇燃料电池

总式:2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O

[分析]  CH3OH中的碳元素在反应中失去6 e-后显+4价,+4碳在碱性溶液中只能以CO32-形式存在,其余的H、O两元素价态不变只能考虑生成水,考虑碱性电解质和方程式配平原则, OH-参与负极反应。则两极电极方程式为,负极:2CH3OH+ 16OH--12e- =2 CO32-+ 12H2O,正极:3O2+6H2O+12e- =12 OH-。

其它有机物型燃料电池雷同。

例3.CO—空气—熔融盐燃料电池

总式:2CO+O2=2CO2

[分析] 负极:CO生电子即CO- 2e-=CO2+;正极:O2+4e- =2 O2-。而CO2+不能独立存在,这时考虑电解质离子不难得出:CO2++CO32-=2CO2。而正极形成O2-,考虑正极伴随空气通入的还有CO2,电解质中的阴离子CO32-在消耗,应不断地有补充,就不难身出O2-应与CO2结合从而达到补充CO32-维持电池工作的连续性。故两极的电极方程式应为,负极:2CO+ 2CO32--4e--=4CO2;正极:O2+2CO2+4e- =2 CO32-。

熔融氧化物型作电解质的燃料电池与此雷同。

还需要说明一点,就是两电极得失电子数是相等的,但电解质离子在两极的消耗和生成不尽相等,如CH4—O2碱性燃料电池,负极为CH4+10 OH-- 8e-= CO32-+7H2O;正极为:

2O2+4 H2O +8e-=8 OH-。这应该是考虑在实际生产中经经济效益的问题了。

目前,环境问题是全世界极其观注的焦点,尤其是工业化程度比较高的国家。化石燃料人类短时间是离不开的,燃油车给人类生活带来便捷的同时也带来挥之不去的环境问题;而电动汽车的续航能力以及电池问题是目前制约电动车发展的瓶颈。如果能把石油燃烧直接发电不仅大大提高了能量利用效率,同时,由于反应条件相对温和可控性强,可大大降低污染物的产生,电动车的续航和充电问题也得以解决,当然这其间肯定有很多难题,期望不久的将来能够有所突破,更希望完成这项艰巨任务的是咱们龙湖人!


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