第8章燃料电池发电
燃料电池专业知识 ppt课件
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气体扩散层GDL (gas diffusion layer)
作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水 要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
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流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate 作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金
燃料电池专业知识
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1
第一章 燃料电池原理和构成
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2
什么是燃料电池
定义： 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接
转化为电能的发电装置。
燃料
氧化剂
电能
其他？
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3
Hydrogen
Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power
增程器 动力电池
电能
电机
机械能
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150~200公里
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整车 控制系 统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制 器
储氢 供氢系 统
车辆 附件总 成 燃料 电池附 件
驱动 电机
驱动桥
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DCDC
DC：直流电，direct current AC：交流电，Alternating current DCDC：直流到直流变换器，主要是将某个直流电压转化至另一个直流电压。 解决两个设备电压不匹配的问题。
作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
新能源材料第八章熔融碳酸盐燃料电池MCFC
参数
k=pCOpH温2O度/pH/K2pCO2
800
900
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pH2 pCO2 pCO pH2O E/V
0.669 0.088 0.106 0.137 1.155
0.649 0.068 0.126 0.157 1.143
动力学角度：工作温度升高，电极极化下 降，熔盐电导增大，欧姆极化下降，电 池性能改善。
隔膜孔内浸入的电解质起离子传导作用。 ρ=ρ0/（1-a）2
ρ——隔膜的电阻率； ρ0——电解质电阻率， ρ[（Li0.62K0.38)2CO3650℃]=0.5767Ω˙cm
a——隔膜中LiAlO2所占的体积分数； 1-a——隔膜的孔隙率。
孔隙率可控制在50%~70%。 隔膜应具有小的孔半径和大的孔隙率。 隔膜性能指标：厚度0.3~0.6mm，孔隙率
好的保持电解质性能； ✓ 具有良好的电子绝缘性能。
晶型 α β γ
晶系隔膜材料外L形iAlO2的晶密型度比（较g/cm3）
六方
棒状
3.400
斜方
针状
2.610
四方
片状
2.615
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1、α-LiAlO2粗料制备 Al2O3+Li2CO3=2LiAlO2+CO2
400~500℃反应5h，500~650℃反应10h， 650~700℃反应10h。
。目前最常使用的的是316L和310S不锈 钢。
2、制备 实验室和小规模生产——机加工的方法
在双极板的表面刻绘出流道；
批量生产——冲压后焊接的技术加工。
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3、双极板的腐蚀：y=ct0.5
(y：腐蚀层的厚度；t为时间)
腐蚀反应：
(必考题)初中高中化学必修二第八章《化学与可持续发展》经典习题(提高培优)
一、选择题1．从淡化海水中提取溴的流程如下：下列有关说法不正确的是( )A ．工业上每获得1 mol Br 2，需要消耗Cl 244.8 LB ．X 试剂可用Na 2SO 3饱和溶液C ．步骤III 的离子反应：2Br -+Cl 2=2Cl -+Br 2D ．步骤IV 包含萃取、分液和蒸馏 2．下列说法正确的是A ．煤是无机化合物，天然气和石油是有机化合物B ．利用二氧化碳与环氧丙烷生产可降解塑料符合绿色化学原则C ．现实生活中，化学腐蚀现象比电化学腐蚀现象更严重D ．铅蓄电池属于一次电池3．下列说法不正确的是A ．河流入海口三角洲的形成与胶体的聚沉有关B ．纯碱和小苏打都可以作食品添加剂C ．向某些食品中添加少量还原铁粉可以达到补铁的目的D ．CO 2是温室气体，是大气污染程度的重要指标4．下列冶炼金属的原理中，属于热还原法的是（ ）A ．Fe+CuSO 4= FeSO 4+CuB ．MgCl 2(熔融)电解Mg+Cl 2↑C ．2Ag 2O Δ4Ag+O 2↑D ．Fe 2O 3+3CO 高温2Fe+3CO 25．下列说法不合理的是A ．用SO 2漂白银耳B ．用食盐防腐C ．用回收的植物油制肥皂D ．钢体船外嵌锌板可起防腐作用6．绿色化学助力可持续发展。
下列不属于．．．绿色化学范畴的是 A ．利用二氧化碳和环氧化合物合成可生物降解塑料B ．开发光、电催化技术用H 2O 和O 2直接合成H 2O 2C ．推进大气污染治理、固体废物处置和资源化利用D ．发展用水代替有机溶剂作为物质制备的分散介质7．古籍中记载的下列事实或现象的形成，未涉及氧化还原反应的是A ．《本草纲目》：“野外之鬼磷，其火色青，其状如炬，俗称鬼火”B ．《淮南万毕术》：“曾青得铁则化为铜”C ．《梦溪笔谈》：“石穴中水所滴者皆为钟乳”D ．《本草经疏》：“丹砂(HgS)，味甘微寒而无毒……若经伏火……则毒等砒硇，服之必毙”8．我校本月提出“节约用水用电，倡导绿色简约生活”。
燃料电池课件2022-2023学年上学期高二化学人教版(2019)选择性必修1
当堂检测(15min)
9.某种固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆-氧化钇为电解质，这种固体电解 质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中 多孔电极a、b均不参与电极反应，求该反应的正负极及反应式及总反应式。
总反应:CH4+2O2=2H2O+CO2 负极:CH4-8e-+4O2-═CO2+2H2O
第四章 化学反应与电能
第一节 原电池 第4课时 燃料电池
学习目标(1min)
1.了解燃料电池的工作原理以及燃料电池与原电池的区别。 2.掌握燃料电池正负极判断及电极反应式的书写步骤。
议课时间:12月3日
上课时间:12月10日
问题导学(10min)
结合下列问题,阅读课本P98-P99页: 1.燃料电池有何优点? 2.如何判断燃料电池的正、负极? 3.如何快速书写燃料电池电极反应式?
总反应:CH3CH2OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O 正极:3O2+12e-+6H2O=12OH负极:CH3CH2OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O 思考:(1)甲醇(CH3OH)燃料电池在以上两种情况下电极反应式如何书写?
(2)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池在以上两种情况下的呢?
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 例:CH3OH燃料电池(碱性电解质)的总反应式。
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
4.燃料电池电极反应式的书写技巧:
第一步:先写总反应式(要考虑产物是否与电解质溶液反应) 燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃烧的产物相同,可根据燃烧反应写出 燃料电池的总反应方程式,但要注意燃烧产物是否与电解质溶反应。 第二步:写正极反应式(按下列四种类型选择):
西交大能源环境学讲义第8章 节能及其它
第8章节能及其它8.1节能概述一.节能市场目前全世界都在提倡节能。
许多工业化国家也大力施行节能措施。
所有能源开发、转换、使用的地方都应节能。
1）煤矿：自燃，煤田气排放；油井：采油率低，排放油田气；2）电站、锅炉效率低；3）终端能源消费：产业、交通运输、民用等方面（滨川p80）a）社会体系的节能（管理）能源—环境友好城市（生态城市、生态环境城市）；集中供热与分散供热；生活方式转变（节约行动，在家办公，夏时制，奢侈能源税费制度等）；消除交通拥堵（城市结构，住处靠近单位、在家办公，时差上班，共同乘车，优势公交车，短路收费）；物流高效化（共同配送）b）技术能源利用系统优化（从高能到低能综合利用——热电联产）能量回收（余热利用，垃圾发电）各种技术产业：高效率技术、装备、工艺；交通运输：提高发动机效率，降低阻力、摩擦力民用：家电、办公机器（节能灯泡，空调），住宅及办公楼供热与制冷（建筑保温、遮光、隔热隔音）；太阳能房。
节能技术无处不在：磁悬浮列车——超导（低温氦气）；海水淡化——多层蒸发（底下加热，下层蒸发；凝结放热给上一层，是上层海水蒸发；如此数（4）层）；轿车车身钢材——质轻且满足强度，减轻自重以节油。
我国节能潜力非常大。
管理水平低；设备落后；发展阶段特点。
节煤、节电二.节能原理1 能质（书p244）用Exergy and 无Anergy 的定义任何能都可表示为：E n = E + A能质系数表示能的质量的高低： = E / En 即单位能中所具有的拥。
用“拥”表述热力学二定律：2热平衡3拥平衡8．2个别节能技术家电；节能电动机；风机水泵节能；工业锅炉节能；建筑节能8.3热电联产联合热电（又称“同时发热发电”）就是比较热门的话题之一。
普通发电厂的能源效率低于35％，而多达65％的能源都作为热白白浪费掉了。
联合热电就要将这部分热用来发电或者为工业和家庭供热，因此可使能源利用率提高到85％以上，大大节约了初级能源。
燃料电池发展前景分析
燃料电池发展前景分析第一章引言燃料电池作为一种新型的清洁能源技术，可以将化石燃料转化为电能，同时不产生污染物和温室气体。
在当前环保意识日益提高的背景下，燃料电池的发展前景备受关注。
本文将对燃料电池的发展前景进行分析。
第二章燃料电池技术概述燃料电池是一种通过化学反应产生电力的装置，其基本结构包括电极、电解质和催化剂。
常见的燃料电池有质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池等。
其中，质子交换膜燃料电池广泛应用于汽车等领域。
相比传统的燃烧发电方式，燃料电池的优势在于其高效、清洁、节能。
其输出功率可达数千瓦，同时不会产生任何废气、废水和废渣，因此在环保要求较高的场合中将更受青睐。
第三章燃料电池的发展前景分析3.1 市场需求燃料电池作为一种先进的清洁能源技术，已经开始进入汽车、工业、民用等多个领域。
在未来，随着全球经济的发展和人们环保意识的提高，对于燃料电池的需求也将进一步增长。
据市场研究机构预计，2020年全球燃料电池市场规模将达到150亿美元以上。
3.2 政策支持在全球范围内，各级政府纷纷制定了相关政策和措施，以鼓励发展燃料电池技术。
例如，日本政府提出到2025年，让燃料电池车成为同时具备空气污染和碳排放零排放的“神车”；中国政府也发布了相关规划，将燃料电池列为新能源汽车领域的重点扶持对象。
3.3 技术进步随着科技的进步，燃料电池的技术不断得到优化和改进。
例如，国际上推行的氢能源生态链是燃料电池得以产业化的关键，这一体系可以实现氢制备、贮运、加注和应用等全产业链的完整闭环，在加速新兴产业发展过程中，也将企业和社会生产生活带入新的能源时代。
第四章燃料电池发展面临的挑战4.1 生产成本高目前，燃料电池生产成本较高，主要是由于材料成本、制造复杂度等原因造成的。
随着技术的进步，相信这一问题将得到解决。
4.2 储氢难度大质子交换膜燃料电池中使用的氢气储运技术目前还存在较大的难度。
如何保证氢气的储存、加注安全将是燃料电池发展中的一大挑战。
新能源重点知识
第一章1.能源的定义:能源是可以直接或经转换提供人类所需要的光，热，动力等任一形式能量的载能体资源，凡是能被人类加以利用，以获得有用能量的各种来源，通称为能源。
2.按照能源的来源分类:来自地球外部天体的能源地球本身蕴藏的能源地球和其他天体相互作用而产生的能量按能源的产生方式分类:一次能源，天然能源二次能源，人工能源按能源的性质燃料型能源，非燃料型能源按能源使用的类型分类常规能源，新型能源按能源的形态特征或转换与应用的层次分类固体燃料，液体燃料，气体燃料，水能，电能，太阳能，生物质能，风能，核能，海洋能和地热能。
按能源是否能够再生分类再生能源和非再生能源，凡是可以不断得到补充，或能够在较短时间周期内再生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。
3发展新能源汽车的必要性石油短缺，环境污染，气候变暖第二章1.纯电动汽车的结构:纯电动汽车主要由电源系统，驱动电动机系统，整车控制器和辅助系统。
纯电动汽车的工作原理: 动力蓄电池输出电能通过电动机控制器驱动电动机运转产生动力，再通过底盘上的传动机构将动力传给驱动车轮，使电动汽车行驶。
2.纯电动汽车的特点: 零排放,能源效率高，结构简单，噪声低，节约能源；续驶里程较短，成本高，安全性低，配套不完善。
3.纯电动汽车的关键技术:电池及管理技术，电动机及控制技术。
整车控制技术，整车轻量化技术。
4.增程式电动汽车的结构: 驱动电动机系统。
电源系统。
增程器。
整车控制器5.增程式电动汽车的工作原理: 增程式电动汽车整车控制器通过CAN网络与发动机控制器、发电机控制器、驱动动机控制器及电池管理系统进行信息交互，实现增程器的控制。
增程器、驱动电动机、力蓄电池三者之间通过整车控制器进行电能交互，实现能量的最优分配。
同时动力蓄电通过车载充电机充电，保证纯电动模式下的行驶。
6.混合动力电动车:是指能够至少从两类车载储存的能量中获得动力的汽车。
7.插电式混合动力电动汽车的特点:需要配套充电装置，需要大功率电动机，需要较大容量电池，动动力分离机构。
(人教版)大连高中化学必修二第八章《化学与可持续发展》经典题(提高培优)
一、选择题1．下列说法正确的是A ．风力发电机所利用的风能是二次能源B ．石油催化重整是获得芳香烃的主要途径C ．煤的干馏是煤在敞开体系中加强热后发生复杂变化的过程D ．植物的细胞壁棉花、木材中均存在大量的淀粉2．下列说法正确的是A ．可燃物的物质的量发生变化，其燃烧热会发生变化B ．物质燃烧的热化学方程式与物质燃烧热的热化学方程式书写一样C ．使燃料充分燃烧，要有足够的空气；燃料与空气有足够小的接触面积D ．新能源的优势，资源丰富， 可以再生，没有污染或污染很少3．下列有关水处理的方法合理的是A ．用亚铁盐吸附水中的悬浮物B ．用火碱还原废水中的227Cr O -C ．用2Na S 沉淀水中的2Cu +、2Hg +等重金属离子D ．用食盐处理含高浓度4NH +的废水并回收利用氨4．著名的Vanviel 反应为：12H 2S+6CO 2h υ→光合硫细菌C 6H 12O 6+6H 2O+12S↓，下列说法错误的（ ）A ．该反应将光能转变为化学能B ．该反应原理应用于废气处理，有利于环境保护和资源再利用C ．每生成1molC 6H 12O 6转移24×6.02×1023个电子 D ．H 2S 、CO 2均属于弱电解质5．金属材料的制造与使用在我国已有数千年历史。
下列文物不是由金属材料制成的是 A ．陕西西安秦兵马俑B ．山西黄河大铁牛C ．“曾侯乙”青铜编钟D ．南昌“海昏侯”墓中出土的金饼 6．下列说法不正确的是A ．钠着火不能用泡沫灭火器灭火B ．石灰石在高温下可用于消除燃煤烟气中的SO 2C ．二氧化硅具有导电性，可用于制造光导纤维D ．利用催化剂可减少汽车尾气中有害气体的排放7．下列说法正确的是A ．淀粉和纤维素的化学式均为(C 6H 10O 5)n ，故两者互为同分异构体B ．苯和甲苯互为同系物，均能使酸性KMnO 4溶液褪色C ．淀粉、油脂、蛋白质都是高分子化合物，均能发生水解反应D ．煤的气化和液化可获得清洁的燃料或化工原料8．下列选项中的诗句内容基本不涉及化学变化的是A．“爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏”B．“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲”C．“美人首饰侯王印，尽是江中浪底来”D．“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”9．利用海水提取溴和镁的过程如下，下列说法不正确的是A．工业溴中含少量Cl2，可用NaOH溶液除去B．工业上常利用电解熔融MgCl2冶炼金属镁C．富集溴元素过程中，空气吹出法利用了溴易挥发的性质D．若提取1 mol Br2，至少需要标准状况下44.8 L的Cl210．绿色化学又称环境友好化学，它的主要特点之一是提高原子的利用率，使原料中所有的原子全部转化到产品中，实现“零排放”。
第章新能源发电与控制技术 ppt课件
⑤节能。
机械工业出版社
第1章 新能源发电与控制技术导论
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1.2.4 分布式能源及主要特征
1.分布式能源 国际分布式能源联盟（WADE）对“分布式能源”给出的定义是：发电系
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国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：
微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主
要形式；
“燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。
高效燃料电池
机械工业出版社
第1章 新能源发电与控制技术导论
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微型燃气轮机
机械工业出版社
第1章 新能源发电与控制技术导论
第1章 新能源发电与控制技术导论
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燃料电池汽车
机械工业出版社
第1章 新能源发电与控制技术导论
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奥体中心光伏发电项目
机械工业出版社
第1章 新能源发电与控制技术导论
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1.2能源的分类与基本特征
1.2.1 能源的分类
1.能源
能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上一 切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星 的运行。
统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有： ①高效的利用发电产生的废能生产热和电； ②现场端的可再生能源系统； ③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。
这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术， 及该系统是否联接电网等条件。
燃料电池工作原理
燃料电池工作原理燃料电池是一种通过化学能转换为电能的装置，它具有高效、清洁、静音等特点，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。
燃料电池的工作原理是基于氢气和氧气在电化学反应中产生电能的原理。
燃料电池由阳极、阴极和电解质三部分组成。
在燃料电池中，氢气经过阳极，氧气经过阴极，两者在电解质中发生氧化还原反应，生成电能和水。
具体来说，燃料电池中的氢气在阳极被催化剂催化分解成质子和电子，质子穿过电解质到达阴极，而电子则通过外部电路形成电流。
在阴极，质子、电子和氧气发生反应生成水，释放出大量的能量。
燃料电池的工作原理可以用化学方程式来表示，在氢气阳极处，2H2 -> 4H+ +4e-；在氧气阴极处，O2 + 4H+ + 4e-> 2H2O；整个反应方程式为2H2 + O2 ->2H2O。
这个过程中，氢气和氧气的化学能被转化为电能和热能，同时产生的水是唯一的排放物，因此燃料电池被认为是一种清洁能源。
燃料电池的工作原理可以分为不同类型，包括碱性燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
不同类型的燃料电池在电解质、催化剂和工作温度等方面有所不同，但其基本工作原理都是相似的。
燃料电池的工作原理决定了其在能源领域的重要性。
与传统燃烧发电相比，燃料电池具有高效、无污染、低噪音等优点，可以成为未来清洁能源的重要组成部分。
随着技术的不断进步，燃料电池的成本逐渐降低，性能逐渐提高，相信它将在未来发挥更加重要的作用。
总的来说，燃料电池的工作原理是基于氢气和氧气在电化学反应中产生电能的原理。
通过阳极、阴极和电解质三部分的协同作用，燃料电池可以高效、清洁地将化学能转化为电能，具有巨大的应用潜力。
希望随着科学技术的不断发展，燃料电池能够为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
《风力发电原理》第8章 风能存储
• 8.1化学储能
• 8.1.1蓄电池
• 蓄电池是化学储能的典型方式。在独立运行的小型风力发 电系统中，广泛使用蓄电池作为蓄能装置。风力发电系统 中常用的蓄电池有铅酸电池（亦称铅蓄电池）和镍镉电池 （亦称碱性蓄电池）。
• 在使用蓄电池时要注意下列事项： • 1）防止过充、过放电，因过充、过放电会降低蓄电池的
• 1.固体摩擦致热 • 2.搅拌液体致热 • 3.挤压液体致热 • 4.涡电流致热
图82蓄水储能示意图风力发电机组图83压缩空气储能示意图风力发电机组空气压缩涡轮机发动机83飞轮蓄能图84飞轮储能示意图风力机发电机发电机多余电能带飞轮的电机大风时84热能储能风能转换为热能一般通过三种途径
第8章 风能存储
• 【本章教学目标】
• 理解风能的特点；掌握化学储能中蓄电池储能的特点及其 注意事项，了解电解水制氢蓄能；掌握在水资源丰富地区 水力储能的原理，了解压缩空气蓄能原理；掌握飞轮蓄能 原理；在热能储能中熟悉固体摩擦致热、搅拌液体致热、 挤压液体致热原理，掌握涡电流致热原理。
风力发电机组
蓄水库 水泵 水源
水力发电
电能
图8.2 蓄水储能示意图
贮气室
风力发电机组
空气压缩 机
涡轮机
发动机
电能
图8.3 压缩空气储能示意图
8.3飞轮蓄能
风力机
发电机
大风时
多余电能
电能 带飞轮的电机
发电机
• 图8.4 飞轮储能示意图
8.4热能储能
• 风能转换为热能一般通过三种途径；一是经电能转换为热 能，风能 机械能 电能 热能；二是通过热泵，风能 机械能，空气压缩能 热能；第三种是直接热转换，风能 机械能 热能。前两种是三级能量转，后一种是两级能量 转换。
大学物理化学核心教程课后参考答案第8章
第八章电化学一．基本要求1．理解电化学中的一些基本概念,如原电池和电解池的异同点,电极的阴、阳、正、负的定义,离子导体的特点和Faraday 定律等;2．掌握电导率、摩尔电导率的定义、计算、与浓度的关系及其主要应用等;了解强电解质稀溶液中,离子平均活度因子、离子平均活度和平均质量摩尔浓度的定义,掌握离子强度的概念和离子平均活度因子的理论计算;3．了解可逆电极的类型和正确书写电池的书面表达式,会熟练地写出电极反应、电池反应,会计算电极电势和电池的电动势;4．掌握电动势测定的一些重要应用,如：计算热力学函数的变化值,计算电池反应的标准平衡常数,求难溶盐的活度积和水解离平衡常数,求电解质的离子平均活度因子和测定溶液的pH等;5．了解电解过程中的极化作用和电极上发生反应的先后次序,具备一些金属腐蚀和防腐的基本知识,了解化学电源的基本类型和发展趋势;二．把握学习要点的建议在学习电化学时,既要用到热力学原理,又要用到动力学原理,这里偏重热力学原理在电化学中的应用,而动力学原理的应用讲得较少,仅在电极的极化和超电势方面用到一点;电解质溶液与非电解质溶液不同,电解质溶液中有离子存在,而正、负离子总是同时存在,使溶液保持电中性,所以要引入离子的平均活度、平均活度因子和平均质量摩尔浓度等概念;影响离子平均活度因子的因素有浓度和离子电荷等因素,而且离子电荷的影响更大,所以要引进离子强度的概念和Debye-Hückel极限定律;电解质离子在传递性质中最基本的是离子的电迁移率,它决定了离子的迁移数和离子的摩尔电导率等;在理解电解质离子的迁移速率、电迁移率、迁移数、电导率、摩尔电导率等概念的基础上,需要了解电导测定的应用,要充分掌握电化学实用性的一面;电化学在先行课中有的部分已学过,但要在电池的书面表示法、电极反应和电池反应的写法、电极电势的符号和电动势的计算方面进行规范,要全面采用国标所规定的符号,以便统一;会熟练地书写电极反应和电池反应是学好电化学的基础,以后在用Nernst 方程计算电极电势和电池的电动势时才不会出错,才有可能利用正确的电动势的数值来计算其它物理量的变化值,如：计算热力学函数的变化值,电池反应的标准平衡常数,难溶盐的活度积,水的解离平衡常数和电解质的离子平均活度因子等;学习电化学一方面要掌握电化学的基本原理,但更重要的是关注它的应用;对于可逆电池的实验可测量有：可逆电池的电动势E 、标准可逆电动势E 和电动势的温度系数pE T ∂⎛⎫ ⎪∂⎝⎭,利用这些实验的测定值,可以用来： 1 计算热力学函数的变化量,如r m r m r m r m R , , , , G G S H Q ∆∆∆∆等;2 计算电池反应的标准平衡常数,难溶盐的活度积ap K 和水的解离常数W K 等;3 根据电动势数值的正、负,来判断化学反应自发进行的方向;4 计算离子的平均活度因子γ±;5 计算未知溶液的pH 值;6 进行电势滴定7 绘制电势-pH 图,并用于金属的防腐及湿法冶金等;在这些应用中,难免要用到如何将一个化学反应设计成相应电池的问题,所以要了解如何将一些简单的化学反应设计成相应可逆电池的方法;现在使用的标准电极电势表基本上都是氢标还原电极电势,所以关于氧化电极电势可以不作要求,免得在初学时发生混淆;学习电解和极化的知识,主要是了解电化学的基本原理在电镀、电解、防腐和化学电源等工业上的应用,充分利用网络资源,都了解一些最新的绿色环保的新型化学电源,如氢-氧燃料电池和锂离子电池等;了解电解合成、电化学防腐等应用实例,拓宽知识面,提高学习兴趣,充分了解物理化学学科的实用性的一面;三．思考题参考答案1．什么是正极什么是负极两者有什么不同什么是阴极什么是阳极两者有什么不同答：比较电池中两个电极的电极电势,电势高的电极称为正极,电势低的电极称为负极;电流总是从电势高的正极流向电势低的负极,电子的流向与电流的流向刚好相反,是从负极流向正极;根据电极上进行的具体反应,发生还原作用的电极称为阴极,发生氧化作用的电极称为阳极;在原电池中,阳极因电势低,所以是负极;阴极因电势高,所以是正极；在电解池中,阳极就是正极,阴极就是负极;2．电解质溶液的电导率随着电解质浓度的增加有什么变化答：要分强电解质和弱电解质两种情况来讨论;电解质溶液的电导率是指单位长度和单位截面积的离子导体所具有的电导;对于强电解质,如HCl, H SO, NaOH24等,溶液浓度越大,参与导电的离子越多,则其电导率会随着浓度的增加而升高;但是,当浓度增加到一定程度后,由于电解质的解离度下降,再加上正、负离子之间的相互作用力增大,离子的迁移速率降低,所以电导率在达到一个最大值后,会随着浓度的升高反而下降;对于中性盐,如KCl等,由于受饱和溶解度的限制,在到达饱和浓度之前,电导率随着浓度的增加而升高;对于弱电解质溶液,因为在一定温度下,弱电解质的解离平衡常数有定值,所以在电解质的浓度增加的情况下,其离子的浓度还是基本不变,所以弱电解质溶液的电导率随浓度的变化不显着,一直处于比较低的状态;3．电解质溶液的摩尔电导率随着电解质浓度的增加有什么变化答：要分强电解质和弱电解质两种情况来讨论;电解质溶液的摩尔电导率是指,将含有1 mol 电解质的溶液,置于相距为单位距离的两个电极之间所具有的电导;由于溶液中导电物质的量已给定,都为1mol,所以,对于强电解质,当浓度降低时,正负离子之间的相互作用减弱,正、负离子的迁移速率加快,溶液的摩尔电导率会随之而升高;但不同的电解质,摩尔电导率随着浓度的降低而升高的程度也大不相同;当浓度降到足够低时,摩尔电导率与浓度之间呈线性关系,可用公式表示为(m m 1∞=-ΛΛ;所以强电解质的无限稀释的摩尔电导率可以用外推到0→c 得到;对于弱电解质溶液,因为在一定温度下,弱电解质的解离平衡常数有定值,在电解质的浓度下降的情况下,其离子的浓度基本不变,所以弱电解质溶液的摩尔电导率在一般浓度下,随浓度的变化不显着,一直处于比较低的状态;直到溶液的浓度很稀薄时,由于正负离子之间的相互作用减弱,摩尔电导率随着浓度的降低开始升高,但不成线性关系,当溶液很稀很稀时,摩尔电导率随着浓度的降低迅速升高,到0→c 时,弱电解质溶液的离子无限稀释的摩尔电导率与强电解质的一样;所以弱电解质的无限稀释的摩尔电导率可以用离子的无限稀释的摩尔电导率的加和得到,即 m m, m,∞∞∞+-=+ΛΛΛ;4．在温度、浓度和电场梯度都相同的情况下,氯化氢、氯化钾、氯化钠三种溶液中,氯离子的运动速度是否相同氯离子的迁移数是否相同答：因为温度、浓度和电场梯度都相同,所以三种溶液中氯离子的运动速度是基本相同的,但氯离子的迁移数不可能相同;迁移数是指离子迁移电量的分数,因为氢离子、钾离子、钠离子的运动速度不同,迁移电量的能力不同,所以相应的氯离子的迁移数也就不同;5．为什么氢离子和氢氧根离子的电迁移率和摩尔电导率的数值比同类离子要大得多答： 因为氢离子和氢氧根离子传导电流的方式与其它离子不同,它们是依靠氢键来传递的,所以特别快;它们传导电流时,不是靠离子本身的迁移,而是依靠氢键和水分子的翻转来传导电荷的;如果在非水溶液中,氢离子和氢氧根离子就没有这个优势;6．强电解质如4CuSO ,2MgCl 等,在其溶液的浓度不是太大的情况下,电解质的摩尔电导率与它的离子摩尔电导率之间是什么关系答：在溶液不太浓时,可以近似认为强电解质是完全解离的,其摩尔电导率就等于离子摩尔电导率的加和;但对于组成离子的电价数大于1,特别是在正、负离子的电价不对称时,在选取基本单元时要注意使粒子的荷电量相同,若粒子的荷电量不同时,要在前面乘以因子,使等式双方相等;现用以下例子来表明它们之间的关系：对于A B -型的对称电解质,它们之间的关系比较简单,如或 22 m 4 m m 4111CuSO Cu SO 222+-⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ΛΛΛ 对于2A B -型的不对称电解质,由于正负离子的电价数不同,要注意选取荷电量相同的粒子作为基本单元,若荷电量不同,要在前面乘以因子,如或 2 m 2 m m 11MgCl Mg (Cl )22+-⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ΛΛΛ7．在电解质溶液中,如果有i 种离子存在,则溶液的总电导应该用如下的哪个计算式计算答：应该用1式计算;因为溶液的总电导等于各个离子电导的加和,即在溶液中,离子是以并联形式存在的,而不是以串联形式存在的,总的电阻不可能等于所有离子电阻的加和;8．标准电极电势是否就等于电极与周围活度为1的电解质溶液之间的电势差 答：不是;由于电极表面性质比较复杂,电极与周围电解质溶液之间的真实电势差是无法测量的;现在把处于标准状态下的电极即待测电极与标准氢电极组成电池,将待测电极作还原极即正极,并规定标准氢电极的电极电势为零,这样测出的电池电动势就作为待测电极的电极电势,称为标准氢标还原电极电势,简称为标准电极电势,用符号Ox|Red E 表示;9．为什么标准电极电势的值有正有负答：因为规定了用还原电极电势,待测电极与氢电极组成电池时,待测电极放在阴极的位置,令它发生还原反应;但是比氢活泼的金属与氢电极组成电池时,实际的电池反应是金属氧化,氢离子还原,也就是说电池的书面表示式是非自发电池,电池反应是非自发反应,电动势小于零,所以电极电势为负值;如果是不如氢活泼的金属,则与氢电极组成的电池是自发电池,电极电势为正值;10．某电池反应可以写成如下两种形式,则所计算出的电动势E ,标准摩尔Gibbs 自由能变化值和标准平衡常数的数值是否相同1 222H 2Cl H ()Cl ()2HCl()p p a += 2 222H 2Cl 11H ()Cl ()HCl()22p p a +=答：电动势E 是电池的性质,不管电池反应中电子的计量系数是多少,电动势E 总是相同的;如果从计算电池电动势的Nernst 方程看,RT zF 项分母中的z 与B B Ba ν∏项中的指数B ν之间,有固定的比例关系,所以电动势E 有定值,即12E E =;但是摩尔Gibbs 自由能的变化值和标准平衡常数值却不同,r m G ∆中的下标“m ”是指反应进度为1 mol 时的Gibbs 自由能变化值,若化学方程式中的计量系数成倍数的关系,则当反应进度都等于1 mol 时,r m G ∆的值也成倍数的关系,即r m,1r m,22G G ∆=∆;如果电池都处于标准状态,则标准摩尔Gibbs 自由能变化值的关系也是r m,1r m,2G G ∆=∆;标准平衡常数与标准Gibbs 自由能的变化值之间的关系为r m ln G RT K ∆=-,r m G ∆的数值成倍数的关系,则K 的数值就成指数的关系,即212 ()K K =;11．如果规定标准氢电极的电极电势为1 V,则各可逆电极的标准氢标还原电极电势的值有什么变化电池的电动势有什么变化答：由于单个电极的电极电势无法测量,人们不得不采用相对的电极电势;目前国际上绝大多数采用的是氢标还原电极电势,即规定标准氢电极的电极电势为0 V,将待测电极作阴极还原极,这样组成的电池的电动势就作为待测电极的标准还原电极电势Ox Red E |,即如果规定标准氢电极的电极电势为 1 V,组成电池的电动势应是个定值,即实验测定的E 不变,那即各电极的标准还原电极电势值也都增加1 V;电池的电动势是两个电极的电极电势之差,所有的电极电势都增加1 V,电动势的值不会改变,这就是为什么要取共同标准的原因;12．如何用电化学的方法,测定2H O(l)的标准摩尔生成Gibbs 自由能f m 2(H O,l)G ∆答：2H O(l)的生成反应为要设计一个电池,使电池反应与之相同;方程式中,显然2H (g)是被氧化的,将氢电极放在电池的左边作阳极,2O (g)是被还原的,将氧电极放在电池右边作阴极,这是一个氢-氧燃料电池;由于氢-氧燃料电池的电动势与电解质溶液的pH 没有关系,所以两个电极中间的介质在pH 等于114之间都可以,只要保持2H (g)和2O (g)的压力都是标准压力即可;所以设计的电池为这个电池的反应就是2H O(l)的生成反应,测定电池的标准可逆电动势E 或从标准电极电势表,查阅电极的标准电极电势,进行计算得到,就可以计算2H O(l)的标准摩尔生成Gibbs 自由能f m 2(H O,l)G ∆13．设计合适的电池,计算24Hg SO (s)的溶度活度积常数ap K ;答：24Hg SO (s)的解离反应为2+22+2Hg Hg ()a 是从第一类电极中来的,是由Hg(l)氧化而来的,所以用2+22+2Hg Hg(l)Hg ()a |电极作阳极,再用一个难溶盐电极242424SO SO ()Hg SO (s)Hg(l)a --||作阴极,因为24Hg SO (s)在还原时会放出24SO -;2+2Hg 和24SO -不能共存在一个容器内,中间要用盐桥隔开,所以设计的电池为该电池的净反应与24Hg SO (s)的解离反应一致读者可以自己检验一下;从标准电极电势表,查得两个电极的电极电势,得到电池的标准电动势E ,或用实验测定该电池处于标准态时的标准电动势E ,就可以计算难溶盐的活度积常数14．为什么实际分解电压总要比理论分解电压高答：实际分解电压要克服三种阻力：1原电池的可逆电动势,这数值通常称为理论分解电压,其绝对值用R E ||表示； 2由于两个电极上发生极化而产生的超电势a η和c η,通常称为不可逆电动势；3克服电池内阻必须消耗的电位降IR ;所以实际分解电压为这样,实际分解电压E 分解一定大于理论分解电压R E ||;15．在电解池和原电池中,极化曲线有何异同点答：它们的相同点是：无论是在原电池还是在电解池中,随着电流密度的增加,阳极的实际析出电势不断变大,阳极的极化曲线总是向电势增大的方向移动；阴极的实际析出电势不断变小,阴极的极化曲线总是向电势减小的方向移动;所不同的是,在电解池中,由于超电势的存在使实际分解电压变大,随着电流密度的增加,实际消耗的电能也不断增多;而在原电池中,由于超电势的存在,使电池的不可逆电动势小于可逆电动势,随着电流密度的增加,电池的不可逆电动势不断下降,对环境作电功的能力也下降;16．将一根均匀的铁棒,部分插入水中,部分露在空气中;经若干时间后,哪一部分腐蚀最严重为什么答：在靠近水面的部分腐蚀最严重;因为在水下部分的铁棒,虽然有2CO (g)和2SO (g)等酸性氧化物溶于水中,使水略带酸性,但H + 离子的浓度还是很低的,发生析氢腐蚀的趋势不大；铁棒露在空气中的部分,虽然与氧气接触,但无电解质溶液,构成微电池的机会较小；而在靠近水面的部分,既有氧气,又有微酸性的电解质溶液,所以很容易构成微电池,发生耗氧腐蚀,这样形成的原电池的电动势比在水中的析氢腐蚀的电动势大,因而这部分腐蚀最严重;17．以金属铂为电极,电解Na2SO4水溶液;在两极附近的溶液中,各滴加数滴石蕊试液,观察在电解过程中,两极区溶液颜色有何变化为什么答：这实际是一个电解水的过程,硫酸钠仅仅起了导电的作用;电解时,在阳极上放出氧气,阳极附近氢离子的浓度变大,使石蕊试液呈红色；在阴极上析出氢气,阴极附近氢氧根离子的浓度变大,使石蕊试液呈蓝色;18．为了防止铁生锈,分别电镀上一层锌和一层锡,两者防腐的效果是否一样答：在镀层没有被破坏之前,两种防腐的效果是一样的,镀层都起了将铁与环境中的酸性气体和水隔离的目的,防止微电池的形成,防止了铁被电化腐蚀;但是镀层一旦有破损,则两者的防腐效果就大不相同;镀锡铁俗称马口铁,锡不如铁活泼;若将锡与铁组成原电池,则锡作阴极,称为阴极保护层,而铁作阳极,这样铁被腐蚀得更快;镀锌铁俗称白铁,锌比铁活泼,组成原电池时,锌作阳极,称为阳极保护层,锌被氧化,而铁作阴极,仍不会被腐蚀;19．在氯碱工业中,电解NaCl的浓溶液,以获得氢气、氯气和氢氧化钠等化工原料;为什么电解时要用石墨作阳极答：若不考虑超电势的影响,在电解NaCl的水溶液时,根据电极电势的大小,在阳极上首先析出的是氧气,而不是氯气;由于氯气的工业价值比氧气高,所以利用氧气在石墨上析出时有很大的超电势,而氯气在石墨上析出的超电势很小,所以用石墨作阳极,在阳极上首先析出的是氯气,而不是氧气,可以利用氯气作为化工原料;20．氢-氧燃料电池在酸、碱性不同的介质中,它们的电池反应是否不同在气体压力相同时,电池的电动势是否相同答：氢、氧燃料电池的电解质溶液可以是酸性,也可以是碱性,pH 在1~14的范围内,它们的电极反应虽不相同,但电池的净反应相同;在气体压力都等于标准压力时,其标准电动势都等于是 V;具体反应式和计算式如下：1 假定是pH 7<的酸性溶液负极,氧化 22H H H ()2H ()2e p a ++-→+ +2H|H 0 V E =正极,还原22O 2H 1O ()2H ()2e H O(l)2p a ++-++→ +22O |H O,H 1.229 V E =电池净反应 1 222H 2O 21H ()O ()H O(l)2p p +→当22H O p p p ==时,2 假定是pH 7>的碱性溶液负极,氧化 22H 2OH H ()2OH ()2H O(l)2e p a ---+→+正极,还原 22O 2OH 1O ()H O(l)2e 2OH ()2p a ---++→电池净反应 2 222H 2O 21H ()O ()H O(l)2p p +→当22H O p p p ==时,四．概念题参考答案1．按物质导电方式的不同而提出的离子型导体,下述对它特点的描述,哪一点是不正确的A 其电阻随温度的升高而增大B 其电阻随温度的升高而减小C 其导电的原因是离子的存在D 当电流通过时在电极上有化学反应发生 答：A;对于离型子导体,在温度升高时,离子的水合程度下降,溶液的黏度下降,电阻是变小的;2．使2000 A 的电流通过一个铜电解器,在1 h 内,能得到铜的质量是 A 10 g B 100 g C 500 gD 2 369 g答：D;用Faraday 定律计算可得3．在298 K 时,当 H 2SO 4溶液的浓度从 mol·kg -1 增加到 mol·kg -1时,其电导率k 和摩尔电导率m 的变化分别为 A k 减小 , m 增加 B k 增加 , m 增加 C k 减小 , m 减小 D k 增加 , m 减小答：D;强电解质溶液的电导率,随溶液浓度的增加而增加,因为电导率只规定了电解质溶液的体积,是单位立方体,浓度大了,导电离子多了,电导率当然要增加;但是摩尔电导率只规定了电解质的量是1 mol,电极间的距离是单位距离,但没有固定溶液的体积,所以随溶液浓度的增加,溶液体积变小,离子间相互作用增加,因而摩尔电导率减小;4．用同一电导池,分别测定浓度为 1 mol·kg -1和 2 mol·kg -1的两个电解质溶液,其电阻分别为 1000 和 500 ,则 1 与 2 的摩尔电导率之比为A 15∶B 5∶1C 105∶D 5∶10 答： B;根据摩尔电导率的定义, m cκ=Λ,cellK l GA Rκ==,cell K 称为电导池常数,同一电导池的电导池常数相同;所以电导率之比就等于电阻的反比,代入摩尔电导率的定义式,得5．有下面四种电解质溶液,浓度均为 mol·dm -3,现已按它们的摩尔电导率m 的值,由大到小排了次序;请判定下面正确的是A NaCl > KCl > KOH > HClB HCl > KOH > KCl > NaClC HCl > NaCl > KCl > KOHD HCl > KOH > NaCl > KCl 答：B ;这4种都是1-1价的强电解质,当溶液的浓度相同时,氢离子摩尔电导率最大,其次是氢氧根离子,因为氢离子和氢氧根离子是通过氢键导电的;钾离子的离子半径虽然要比钠离子的大,但是钾离子的水合程度小,所以钾离子的摩尔电导率还是比钠离子的大;6．2CaCl 的摩尔电导率与其离子的摩尔电导率之间的关系是A 2m 2m m (CaCl )(Ca )(Cl )∞∞+∞-=+ΛΛΛB 2m 2m m1(CaCl )(Ca )(Cl )2∞∞+∞-=+ΛΛΛ C 2m 2m m (CaCl )(Ca )2(Cl )∞∞+∞-=+ΛΛΛ D 2m 2m m (CaCl )2(Ca )(Cl )∞∞+∞-⎡⎤=+⎣⎦ΛΛΛ答： C;电解质的摩尔电导率与离子摩尔电导率之间关系的通式是在表示多价电解质的摩尔电导率时,为了防止混淆,最好在摩尔电导率的后面加个括号,写明所取的基本质点,防止误解;如 m 2 m 21(CaCl ), (CaCl )2∞∞ΛΛ,两者显然是倍数的关系;7．有4个浓度都是 mol·kg -1 的电解质溶液,其中离子平均活度因子最大 的是A KClB CaCl 2C Na 2SO 4D AlCl 3答：A ;按Debye-Hückel 极限定律,I z z A -+±-=γlg ,离子强度越大,平均活度因子越小;这里KCl 的离子强度最小,所以它的平均活度因子最大;8．下列电池中,哪个电池的电动势与Cl -的活度无关A Zn│ZnCl2aq│Cl2g│PtB Zn│ZnCl2aq‖KClaq│AgCls│AgC Ag│AgCls│KClaq│Cl2g│PtD Hg│Hg2Cl2s│KClaq‖AgNO3aq│Ag答：C;原则上应写出各个电池的反应,再决定电池的电动势与Cl-是否有关,这显然要化去不少时间;快速判断的方法是看电极反应,若正、负极的反应中都有Cl-,两个电极反应中的Cl-刚好可以消去,这样Cl-的活度与电池的电动势就无关,所以只有C符合条件;A和D只有一个电极反应有Cl-,不能对消;B中虽然用了ZnCl2aq,但这是一类电极,电极反应中不会出现Cl-,所以也不能对消;9．用对消法补偿法测定可逆电池的电动势,主要是为了A 消除电极上的副反应B 减少标准电池的损耗C 在可逆情况下测定电池电动势D 简便易行答：C;在用对消法测定电池的电动势时,外加了一个与电池的电动势大小相等、方向相反的工作电源,相当于外电路的电阻趋于无穷大,忽略电池内部的电阻,所得两个电极之间的电位降,可以近似作为电池的电动势;在测定时电路中几乎无电流通过,使极化现象可以忽略不计,所得的电动势可以近似作为可逆电池的电动势;10．若算得可逆电池的电动势为负值,表示此电池反应的方向是A 正向进行B 逆向进行C 不可能进行D 反应方向不确定答：B;电池电动势为负值,表明该电池是非自发电池,不能正向进行,而逆向反应是自发的;这种情况只能出现在书面表示中,就是将电池的正、负极排反了;在实验中若将正、负极接反了,就不可能形成对消线路,也就测不到电动势,能测到的电动势都是正值;11．某电池的电池反应为2+22OH 2Hg(l)O (g)2H O(l)2Hg 4OH ()a --++=+,在等温、等压下,当电池反应达平衡时,电池的电动势E 的值必然是 A E >0 B E E= C E <0 D E =0答： D ;在等温、等压下,电池反应达平衡时,Gibbs 自由能的变化值为零,即r m G ∆=0;因为r m G zEF ∆=-,所以电动势E 也必然等于零;12．某电池在298 K 、标准压力下可逆放电的同时,放出 100 J 的热量,则该电池反应的焓变r H ∆为： A r 100 J H ∆= B r 100 J H ∆> C r 100 J H ∆<- D r 100 J H ∆=-答：C ;因为在等温时,r r r G H T S ∆=∆-∆,可逆放电时放出的热量为r T S ∆,即R r 100 J Q T S =∆=-,r r 100 J G H ∆=∆+;电池能放电,说明是自发电池,r G ∆必定小于零,所以r H ∆必须小于100 J -;13．在等温、等压下,电池以可逆方式对外作电功时的热效应Q R 等于 A R r Q H =∆ B R pE Q zFT T ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭ C R pE Q zEF T ∂⎛⎫=⎪∂⎝⎭ D R Q nEF = 答：B;因为R r Q T S =∆,r pE S zF T ∂⎛⎫∆=⎪∂⎝⎭所以只有B 是正确的;平时必须熟练记住电化学与热力学的各种联系公式,才能用电动势测定方法计算热力学函数的变化值;。
武汉理工大学-燃料电池技术-课程重点回顾
理想电位与压力大小的表现、 Nernst方程式）
RT a A a BB En E ln n C n D nF aC a D
0 n
A n n
燃料电池的电动势(electromotive
potential) En ，或称作平衡电池电压(equilibrium cell voltage)、可逆电池电压(reversible cell voltage)、理想电池电压(ideal cell voltage)、 无效电位(null potential)、开路电压(opencircuit voltage，OCV)等 反应气体压力(或浓度)改变对燃料电池可逆电 位的影响
H2 1 O2 H 2 O 2
1 g (g ) H 2 0 (g ) H 2 (g ) O2 2
En
g 2F
理想电位与温度的关系
En h nFEn nFT T P
等压条件下焓变量与可逆电池电位之间的关系
（电动势温度系数的概念） 电化学反应的热量变化与电池的电动势温度系数 E 的关系 q TS nFT T 如何根据电化学反应的热量变化判断系统能量转 变为电能的情况
Nafion
功用：将电流传导至双极板；协助气体扩散至催
化剂表面。 材质特性：导电性、多孔性、疏水性
目前GDL材料：碳布（carbon
cloth）或碳
纸（carbon paper）。
双极板（流场板）的主要功能：进气导流与收集电流 PEMFC双极板的材料及基本特性：无孔石墨板、塑 料碳板、表面改性金属板、复合型双极板；具有阻气、 导电、散热以及抗腐蚀等基本特性 PEMFC双极板材料特性
的一种燃料电池 电解质将电池分隔成阴极与阳极两部分 阳极发生电化学反应：H2→2H++2e 氢离子通过质子交换膜以水合质子H+(xH2O)的形式，从一个磺酸基 （—SO3H）转移到另一个磺酸基往阴极移动 电子经由外电路对负载做功后移往阴极 阴极发生电化学反应： 1
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第 8章燃料电池发电
新能源发电系统控制
发电用燃料电池的种类、特征及其开发现状
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第 8章燃料电池发电
新能源发电系统控制
8.1.4 发展概况
燃料电池的研究首先在 美国、德国、日本、加拿大 等发达国家 开展起来。1977年美国首先建成兆瓦级电池发电站，为工业和 民用提供电力。日本电力公司于1989年在东京湾也兴建了1 座 1Mw 的大型燃料电池发电站。早在 1972年，电子综合技术研究所 就开始研究SOFC 技术，后来加入“月光计划”研究与开发行列， 1986 年研究出500W圆管式SOFC电池堆，并组成1.2kW发电装置。 东京电力公司与三菱重工从1986 年12月开始研制圆管式SOFC装 置，获得了输出功率为 35w的单电池，当电流密度为200mA／cm 时，电池电压为0.78V，燃料利用率达到58 日%。日本国家电化 学技术实验室、日本电力发展公司和三菱重工也从事管式SOFC 的研制工作，目前这几家公司的SOFC功率也分别达到千瓦级规 模。 Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级。另 外，中部电力公司与三菱重工合作，从1990年起对叠层波纹板 式 SOFC系统进行研究和综合评价，研制出了40kw试验装置。
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参考文献
[1] 王长贵 ,崔荣强,周篁 .新能源发电技术.中国电力出版社. [2] 李传统 .新能源与可再生能源技术 .东南大学出版社,2003 [3] 洪明子 ,崔明灿.燃料电池发电技术 . 吉林化工学院学报, 第 22卷第 3期,2005年6月. [4] 龙会国 , 燃料电池发电技术. 湖南电力 ,第26卷／2006年 第 4期 .
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8.2燃料电池发电系统工艺流程和主要设备
燃料电池发电系统
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燃料电池发电系统
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如图2所示，燃料电池发电系统一般可分为3部分：燃 料处理器、发生器(燃料电池堆)和电能调节装置（DC ／AC）转换器。在燃料处理部分，燃料诸如煤、天然 气等通过一系列燃料重整、分离和洁净的过程，产生 富氢气体。富氢气体和氧气(一般采用空气)通过发生 器产生直流电和热。能量发生器包括燃料电池堆和控 制单元，燃料电池可由多台单个电池按串联、并联的 组合方式，满足所需要的发电容量。燃料电池发出的 直流电根据负载需要经过调节装置输出所需要的电压 和电流。
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8.1.2 燃料电池的特点
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产 生电力的第4种发电方式。燃料电池与一般化学电池 的区别为：其反应活性物质由外部输入，具有大功率 连续供电的特点。 燃料电池与一般火力发电装置的主要区别为： a．发电效率高。燃料电池发电原理和传统的火力发 电不同，是在等温、静态下连续地将化学能转换成电 能，因此既没中间转换过程中的大量能量损耗，也不 受卡诺循环限制，理论能源利用效率可达80%以上， 大规模联合循环效率也可达60％～80。
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8.1燃料电池的原理、特点、种 类及发展概况 8.2燃料电池发电系统工艺流程 和主要设备 8.3燃料电池发电展望
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8.1燃料电池原理、特点、种类及发展概况 8.1.1 燃料电池原理
燃料电池工作原理简图
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我国在60年代进行过多种燃料电池的实验室研究工作。 研究过空间用的燃料电池(离子交换膜、培根氢氧、 石棉膜等)和地面用燃料电池。80年代，中国科学院 一些研究所开始进行MCFC的探索研究．并建立了部分 小型试验装置。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别 示范成功了2MW和100kW的燃料电池发电机组，而 我国在这方面才刚刚起步，2000年研制出了2kw左 右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国 外的差距更大，目前处于研制阶段。
c 提高电网的安全性
目前电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电 和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中 外近年多次电网事故证明，在地震、水灾、暴风、冰雪、 雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星 罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电 网的安全性。
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8.1.3 燃料电池的种类
• PAFC磷酸型燃料电池。 它以磷酸作为电解质，工作温度为150～200℃，发电 效率达35％-50％，余热可以供暖，现在已经达到实用化 水平。 • PEMFC质子交换膜燃料电池 它以固体高分子膜作电解质，这种燃料电池启动时间 短，结构紧凑，功率密度高，工作温度为40～80℃。 • MCFC熔融碳酸盐燃料电池 它以高温下熔融的碳酸锂、碳酸钾作电解质，工作温 度为600～1000℃，电效率达45％～60％，不仅可以直接 利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以带动汽轮 机进行二次发电，可以组成大型复合式发电系统。
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a 调峰能力增加 应用氢气做燃料PEMFC已经商业化，在国外容量为3kW、 5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入 家庭，数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、 饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置 一样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢 燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。 可以使用天然气、煤气为燃料的MCFC、SOFC发电能力 为数千kW发电装置将座落于较大的公用场所，用管道 向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电力和热能， 使城市的发电不再污染环境。成千上万的燃料电池发 电装置服役，必将使得电网的调峰能力大大增强。
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b．环境污染程度低。燃料电池发电时没有高温的燃烧 过程，几乎没有硫化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和二氧化 碳(CO2)的排放，也没大型旋转机械的噪声，因此环境污 染程度低。 c．建设快，应用广。燃料电池可实行模块化组合，自 由成堆，容量可大可小，布置可集中，可分散。占地很 少，且安装简单，维修方便。 d．负荷响应特性好。燃料电池具有良好的负荷跟随性 、部分负荷特性和过负荷特性。在数秒以内，就可以从 最低功率变换到额定功率，启动时间短，在低达额定功 率25%的情况下也可高效发电。 e. 其发电装置及发电成本目前尚较高。
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b 节约配电网的建设费用
我国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的 末端，用电量不大。从商业角度考虑，架设高电压等级的 线路是不合算的，但不架设又难以实现村村通电的目标。 有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地 的风能、太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。 这样可以使投资更加合理，又提高电网的经济效益。
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•SOFC固体氧化燃料电池
它以固体氧化物烧结体作电解质，工作温度为600～1000℃ ，发电效率可达50％～60％，放出的余热也可以进行二次 发电，可用于建造热电联产系统。
•AFC
与其它燃料电池相比， AFC功率密度和比功率较高，性能 可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt 、 Au、 Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀 严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事 应用，不适合于民用。
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我国 稀土 资源丰富，发展MCFC和SOFC技术具有十分有利 的条件。以 天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电 效率高达55%～65%，而且还可提供优质 余热用于联合循 环发电 ，是一种优良的区域性供电电站。 热电联供 时,燃 料 利用率高达 80%以上。专家们认为它与各种大型中心电 站的关系，颇类似于个人电脑与大型中心计算机的关系， 二者互为补充。二十一世纪，这种区域性、环境友好的、 高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。 最近日本提出2010年普及燃料电池的应用，并向发达欧 美国家建议制定安全基准和通用规格。随着其生产成本 的降低，燃料电池也将在我国获得快速的发展，它将对 传统的热机发电构成有利的挑战。展望其对电力系统的 影响如下：
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以重整气体(H2和CO混合物)为燃料时为例，电池反应： 阳极：H2+O2-→H2O
CO+O2-→CO2
阳极总反应: aH2+bCO+(a+b)O2-→aH2+bCO2 +2(a+b)e 阴极：1/2（ a+b） O2+(a+b)e→(a+b) O2-
电池总反应：1/2(a+b) O2+ aH2+ bCO→aH2O+bCO
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8.3燃料电池发电展望
被称为第四代发电方式的燃料电池，由于具有燃料 利用效率可达80%、不排放有害气体（PAFC不排 放任何气体）、容量可根据需要而定，所以受到了 各方面的极大关注。各国家的政府都在这方面增加 研发资金，推动其商业化的进程。在近年它首先受 到了交通界的重视，作为交通动力装置已被搬上汽 车、舰船，几乎同时它受到了国外电力系统的重视。 PAFC发电装置已有数万套进入宾馆、家庭运行， PAFC已有了4万多小时的运行记录。