电化学读书报告2-田云生

中国地质大学（武汉）

2016年

电化学

读书报告

报告题目：硬质合金电化学腐蚀行为的研究进展

报告作者：田云生

学院：材料科学与化学工程学院

专业：应用化学

班级：031144

学号：20141001960

指导老师：杨丽霞

一、摘要 (1)

二、前言 (1)

2.1燃料电池的发明 (1)

2.2燃料电池的工作原理 (2)

2.3 燃料电池的分类和应用 (4)

三、主要内容 (5)

3.1 燃料电池与热机动力对比 (5)

3.2燃料电池与电池对比 (7)

3.3 燃料电池与氧阴极电解对比 (9)

四、读书报告结论与感言 (10)

4.1结论 (10)

4.2感言 (11)

五、参考文献 (11)

一、摘要

燃料电池是一种利用催化反应原理，使原料的化学能转化为电能的装置，近些年随着材料技术的进步，燃料电池日益可靠高效，其经济性也逐步得到体现，正被应用于越来越多的领域。在氯碱工业中，使用氢燃料电池具有独特的优势，应引起重视和研究。

二、前言

2.1燃料电池的发明

燃料电池目前已经在多个领域都进行了应用尝试，虽然说法上是一种“新型电池”，其出现并不新，早在1839 年，英国物理学家威廉·格罗夫就制作了世界上第一个燃料电池。上世纪60 年代，美国首先将燃料电池用于双子星宇宙飞船，但该电池由于采用聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作中发生膜降解，不但导致寿命缩短，而且污染生产的水，宇航员无法饮用，因此，在以后的阿波罗飞行中让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池。

燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，如应用于汽车、飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。虽名为“燃料电池”，但其并不是用来储存电能的电池，而是发电站，产生电量的方式并不是像内燃机或外燃机一样使燃料燃烧产生能量，而是使用催化反应原理使燃料的化学能直接转化为电能。其中最常见的燃料为氢，除了氢以外，一些碳氢化合物例如天然气、醇、和甲烷等有时也会作燃料使用。从原理上说，一切可以燃烧的气体或液体燃

料，都可作为燃料电池的能源，比如煤气、沼气、液化石油气、酒精、甲醇汽油等。氢作为燃料化学转化最简单也最洁净，不容易污染电极和膜，因此，目前技术最为成熟的是氢燃料电池。随着技术进步，其他燃料电池也会逐步普及。氧化剂最常用的为空气，也可以用纯氧或双氧水。虽然燃料和氧化剂不同，但大部分燃料电池的工作原理和工作模式都差不多。

2.2燃料电池的工作原理

燃料电池内部主要由3 个相邻区段组成：阳极、电解质和阴极。

2 个化学反应发生在

3 个不同区段的界面之间。燃料电池的工作原理是在电池内部让燃料与氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，从而把燃料的化学能转化为电能，燃料与氧发生反应，最终产生水、二氧化碳等以及电能。需要指出，作为电池，对于外部为正极侧，对于电池内部是称为阴极；对于外部电路为负极侧，电池内部是阳极。为便于描述，本文都以电池内部称谓电极极性。典型的氢氧燃料电池原理见图1。

在阳极上，通常需要用催化剂将燃料氧化，使燃料变成 1 个正电荷的离子和 1 个负电荷的电子。然后通过经特殊处理的电解质溶液或特殊的膜将电子和离子隔离，让离子通过电解质，阻隔电子，接着让被释放的电子穿过外部电路，因而产生电流。离子通过电解液前往阴极，一旦达到阴极，离子与电子团聚，并且与氧气反应，从而产生水或二氧化碳。

氢—氧燃料电池反应原理有酸式和碱式2 种；若电解质呈酸性，则阳极反应为：

H2=2H++2e-

阴极反应：

O2+4e-+4H+=2H2O

若电解质呈碱性，则阳极反应式为：

H2+2OH-=2H2O+2e-

阴极反应：

O2+2H2O+4e-=4OH-

电解质呈酸性电解质呈碱性

阳极反应式H2=2H++2e- H2+2OH-=2H2O+2e-

阴极反应式O2+4e-+4H+=2H2O O2+4e-+2H2O=4OH-

总反应式2H2+O2=2H2O

为阻挡阳极原料与阴极原料混合，同时阻挡电子在电池内部移动，阴极与阳极间通常设有质子交换膜（离子交换膜）。离子穿过交换膜从阳极到阴极，每摩尔离子通常会携带几摩尔的水合水，这就使得水总是向生成水的一侧转移。为维持电池电解质的导电性和电池的正常运转，须持续供应氢、氧和水，及时排除反应产物（水）和废热。

2.3 燃料电池的分类和应用

燃料电池有不同的分类方法，比如可按工作原理分类，按电解制分类，或按燃料分类，按工作温度分类以及按开发顺序分类。

（1）按工作原理分类。分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

（2）按电解质分类。分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）及固体氧化物燃料电池（SOFC）。

（3）按燃料分类。分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池及乙醇燃料电池。

（4）按工作温度分类。分为低温燃料电池0~200℃、中温燃料电池200~500 ℃及高温燃料电池500~1500 ℃。

（5）按开发顺序分类。可分为第一代燃料电池、第二代燃料电

池及第三代燃料电池。主流的燃料电池按电解质种类可分，主要为以下 5 种：碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池。

三、主要内容

3.1 燃料电池与热机动力对比

燃料电池对比传统动力机组具有非常大的能量利用优势，这是由工作原理决定的。燃料电池是通过电池组使化学能直接转化为电能，转换环节少，效率高，理论上可以达到100%；传统动力组是先使化学能转换为热能，再转换为机械能，然后可再转换为电能，转换环节多，效率低下。

（1）效率。无论是热机还是机组，其效率都受到卡诺热机效率的限制。目前，汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40%~50%，当用热机带动时，其效率仅为35%~40%；典型的燃料电池组，氢气转换为电能的效率目前可达到60%，而内燃机转换为机械能效率只能达到28%，超临界发电机组发电效率可以达到50%，燃气轮发电机组发电效率可以达到38%。从效率上都远不如燃料电池。燃料电池比内燃机的能量效率高，以氢作燃料时效率达到60%左右，以甲醇作燃料（通过改质）时达到38%～45%。

燃料电池在低负荷下效率高，在高负荷时随着负荷率增加有下降倾向，但可短时达到200%负荷运行，负荷适应范围宽。与一般热力发电相比，燃料电池发电具有较高的理论转化效率。而在燃料电池中，燃料不是被燃烧变为热能，而是直接发电。在实际应用时，考虑