電化學(xué)發(fā)電燃料電池

電化學(xué)發(fā)電燃料電池工作原理

用一句簡(jiǎn)單的話來(lái)描述，我們可以這樣說(shuō)：燃料電池是把燃料和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它象電池一樣有正負(fù)極。一般的電池只能貯存電能，而它卻能源源不斷地發(fā)出電來(lái)。因此這一點(diǎn)燃料電池類似內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，但它運(yùn)行的溫度要低得多，并且沒(méi)有或很少有轉(zhuǎn)動(dòng)部件。

電化學(xué)發(fā)電燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成

為了滿足電機(jī)或其它電器用電量的需求，不僅僅是有了電池堆就夠了。作為一個(gè)燃料電池系統(tǒng)必須要有許多其它部件，具備諸如：燃料供給、水量平衡控制、輸出功率調(diào)整、溫度壓力等參數(shù)的測(cè)控等等功能。沒(méi)有以上各部件，燃料電池不可能產(chǎn)生出可用的電能。

（1）純氫或富氫燃料供給系統(tǒng)；

（2）富氫燃料重整系統(tǒng)；

（3）氫提純系統(tǒng)；

（4）氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)；

（5）燃料電池堆；

（6）輸出能量控制調(diào)整器；

（7）電能存儲(chǔ)器；

（8）溫度控制系統(tǒng)；

（9）內(nèi)部測(cè)量控制系統(tǒng)。

電化學(xué)發(fā)電燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)越性

（1）燃料電池發(fā)電時(shí)不需要內(nèi)燃機(jī)，這就意味著和一般的發(fā)電機(jī)組不一樣，這種發(fā)電設(shè)備的噪音很低，振動(dòng)很小，幾乎沒(méi)有大氣污染或溫室氣體排放。

（2）低耗電設(shè)備如：手機(jī)、便攜式電腦等，及無(wú)排放汽車所用的燃料電池，不象普通的電池那樣需要比較長(zhǎng)周期的充電時(shí)間。另外燃料電池的燃料可貯存在本體外的存貯器內(nèi)，這樣就可以根據(jù)使用的要求去調(diào)整存貯器大小來(lái)調(diào)節(jié)使用時(shí)間。

（3）燃料電池的使用可以減少傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)可以 減少發(fā)輸配過(guò)程中的損耗。

（4）燃料電池發(fā)電的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，燃料機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換的效率是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的2-4倍。

電池由兩個(gè)電極和電極之間的電解質(zhì)構(gòu)成，因而電化學(xué)發(fā)電的研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括電解質(zhì)的研究，即電解質(zhì)學(xué)，其中包括電解質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)、離子的傳輸性質(zhì)、參與反應(yīng)離子的平衡性質(zhì)等，其中電解質(zhì)溶液的物理化學(xué)研究常稱作電解質(zhì)溶液理論

原電池是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而使電子的流動(dòng),產(chǎn)生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，簡(jiǎn)單說(shuō)就即是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對(duì)。

原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。

電化學(xué)發(fā)電組成原電池的基本條件

1、將兩種活潑性不同的金屬(即一種是活潑金屬一種是不活潑金屬)，或著一種金屬與石墨(Pt和石墨為惰性電極，即本身不會(huì)得失電子)等惰性電極插入電解質(zhì)溶液中。

2、用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。

3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

電化學(xué)發(fā)電原電池工作原理

原電池是將一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負(fù)極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)生電流。

電化學(xué)發(fā)電原電池的電極的判斷

負(fù)極:電子流出的一極;發(fā)生氧化反應(yīng)的一極;活潑性較強(qiáng)金屬的一極。

正極:電子流入的一極;發(fā)生還原反應(yīng)的一極;相對(duì)不活潑的金屬或其它導(dǎo)體的一極。

在原電池中，外電路為電子導(dǎo)電，電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。

電化學(xué)發(fā)電原電池的判定

(1)先分析有無(wú)外接電路，有外接電源的為電解池，無(wú)外接電源的可能為原電池;然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是"四看":

看電極--兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異(燃料電池的電極一般為惰性電極);

看溶液--兩極插入溶液中;

看回路--形成閉合回路或兩極直接接觸;

看本質(zhì)--有無(wú)氧化還原反應(yīng)。

(2)多池相連，但無(wú)外接電源時(shí)，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。

電化學(xué)發(fā)電原電池原理的腐蝕

化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較如圖1。

在1663年，德國(guó)物理學(xué)家 Otto von Guericke 創(chuàng)造了第一個(gè)發(fā)電機(jī)，通過(guò)在機(jī)器中的摩擦而產(chǎn)生靜電。這個(gè)發(fā)電機(jī)將一個(gè)巨大的硫球放入玻璃球中，并固定在一棵軸上制成的。通過(guò)搖動(dòng)曲軸來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)球體，當(dāng)一個(gè)襯墊與轉(zhuǎn)動(dòng)的球發(fā)生摩擦的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生靜電火花。 這個(gè)球體可以拆卸并可以用作電學(xué)試驗(yàn)的來(lái)源。

在17世紀(jì)中葉，法國(guó)化學(xué)家 Charles Fran?ois de Cisternay du Fay 發(fā)現(xiàn)了兩種不同的靜電，即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。 Du Fay 發(fā)布說(shuō)電由兩種不同液體組成:"vitreous" (拉丁語(yǔ)"玻璃")，或者正電;以及"resinous", 或者負(fù)電。這便是電的雙液體理論，這個(gè)理論被17世紀(jì)晚期Benjamin Franklin 的單液體理論所否定。

1781年，查爾斯.奧古斯丁 庫(kù)侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 在試圖研究由英國(guó)科學(xué)家Joseph Priestley 提出的電荷相斥法則的過(guò)程中發(fā)展了靜電相吸的法則。

1791年伽伐尼發(fā)表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的"動(dòng)物電"現(xiàn)象，一般認(rèn)為這是電化學(xué)的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎(chǔ)上發(fā)明了用不同的金屬片夾濕紙組成的"電堆"，即現(xiàn)今所謂"伏打堆"。這是化學(xué)電源的雛型。在直流電機(jī)發(fā)明以前，各種化學(xué)電源是唯一能提供恒穩(wěn)電流的電源。1834年法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)為電化學(xué)奠定了定量基礎(chǔ)。

19世紀(jì)下半葉，赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦于電池的"起電力"(今稱"電動(dòng)勢(shì)")以明確的熱力學(xué)含義;1889年能斯特用熱力學(xué)導(dǎo)出了參與電極反應(yīng)的物質(zhì)濃度與電極電勢(shì)的關(guān)系，即著名的能斯脫公式;1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液靜電理論，大大促進(jìn)了電化學(xué)在理論探討和實(shí)驗(yàn)方法方面的發(fā)展。

20世紀(jì)40年代以后，電化學(xué)暫態(tài)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展、電化學(xué)方法與光學(xué)和表面技術(shù)的聯(lián)用，使人們可以研究快速和復(fù)雜的電極反應(yīng)，可提供電極界面上分子的信息。電化學(xué)一直是物理化學(xué)中比較活躍的分支學(xué)科，它的發(fā)展與固體物理、催化、生命科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展相互促進(jìn)、相互滲透。

在物理化學(xué)的眾多分支中，電化學(xué)是唯一以大工業(yè)為基礎(chǔ)的學(xué)科。它的應(yīng)用主要有:電解工業(yè)，其中的氯堿工業(yè)是僅次于合成氨和硫酸的無(wú)機(jī)物基礎(chǔ)工業(yè);鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法;機(jī)械工業(yè)使用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來(lái)完成部件的表面精整;環(huán)境保護(hù)可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物;化學(xué)電源;金屬的防腐蝕問(wèn)題，大部分金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕問(wèn)題;許多生命現(xiàn)象如肌肉運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)的信息傳遞都涉及到電化學(xué)機(jī)理。應(yīng)用電化學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的各種電化學(xué)分析法已成為實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)監(jiān)控的不可缺少的手段。

電化學(xué)是研究電子導(dǎo)體(或半導(dǎo)體材料)/離子導(dǎo)體(一般為電解質(zhì)溶液)或離子導(dǎo)體/離子導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)、界面變化過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理的一門科學(xué)。生命現(xiàn)象最基本的過(guò)程是電荷運(yùn)動(dòng)，生物電的起因是由于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電勢(shì)差，很多生命現(xiàn)象如人或動(dòng)物的肌肉運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的代謝作用、神經(jīng)的信息傳遞以及細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能都可用電化學(xué)原理來(lái)解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學(xué)方法模擬生物體內(nèi)器官的生理規(guī)律及其變化過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用。由上可見，電化學(xué)是生命科學(xué)中最基礎(chǔ)的一門相關(guān)學(xué)科，因而研究生物電化學(xué)具有極其重要的意義。

電化學(xué)在化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、金屬腐蝕與防護(hù)、環(huán)境科學(xué)等科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前世界上十分關(guān)注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等等都與電化學(xué)以各種各樣的方式關(guān)聯(lián)在一起。

電化學(xué)原電池

原電池是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而使電子的流動(dòng),產(chǎn)生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，簡(jiǎn)單說(shuō)就即是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對(duì) 。

原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。

組成原電池的基本條件：

1、將兩種活潑性不同的金屬（即一種是活潑金屬一種是不活潑金屬），或著一種金屬與石墨（Pt和石墨為惰性電極，即本身不會(huì)得失電子）等惰性電極插入電解質(zhì)溶液中。

2、用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。

3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

原電池工作原理

原電池是將一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負(fù)極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)生電流。

原電池的電極的判斷：

負(fù)極：電子流出的一極；發(fā)生氧化反應(yīng)的一極；活潑性較強(qiáng)金屬的一極。

正極：電子流入的一極；發(fā)生還原反應(yīng)的一極；相對(duì)不活潑的金屬或其它導(dǎo)體的一極。

在原電池中，外電路為電子導(dǎo)電，電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。

原電池的判定：

（1）先分析有無(wú)外接電路，有外接電源的為電解池，無(wú)外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極——兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）；看溶液——兩極插入溶液中；看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸；看本質(zhì)——有無(wú)氧化還原反應(yīng)。

（2）多池相連，但無(wú)外接電源時(shí)，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。

電化學(xué)電解池

電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。

電解是使電流通過(guò)電解質(zhì)溶液（或熔融的電解質(zhì)）而在陰、陽(yáng)兩極引起氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。

發(fā)生電解反應(yīng)的條件：

①連接直流電源

②陰陽(yáng)電極 陰極：與電源負(fù)極相連為陰極

陽(yáng)極：與電源正極相連為陽(yáng)極

③兩極處于電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)中

④兩電極形成閉合回路

電解過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點(diǎn)）：

陰極：一定不參與反應(yīng) 不一定是惰性電極

陽(yáng)極：不一定參與反應(yīng) 也不一定是惰性電極

電解結(jié)果：

在兩極上有新物質(zhì)生成

電解池電極反應(yīng)方程式的書寫：

陽(yáng)極：活潑金屬—電極失電子（Au,Pt,Ir 除外）；惰性電極—溶液中陰離子失電子

注：失電子能力：活潑金屬（除Pt Au）>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-

陰極：溶液中陽(yáng)離子得電子

注：得電子能力：Ag >Hg2 >Fe3 >Cu2 >H （酸）>Pb2 >Sn2 >Fe2 >Zn2 >H2O（水）>Al3 >Mg2 >Na >Ca2 >K （即活潑型金屬順序表的逆向）

對(duì)應(yīng)關(guān)系：陽(yáng)極連電源正極，陰極連電源負(fù)極（可見高中教材*《化學(xué)選修·四》）

規(guī)律：鋁前（含鋁）離子不放電，氫（酸）后離子先放電，氫（酸）前鋁后的離子看條件。

四類電解型的電解規(guī)律①電解水型（強(qiáng)堿，含氧酸，活潑金屬的含氧酸鹽），pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量水。

②電解電解質(zhì)型（無(wú)氧酸，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽，），無(wú)氧酸pH變大，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽PH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量電解質(zhì)。

③放氫生堿型（活潑金屬的無(wú)氧酸鹽），pH變大。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加陰離子相同的酸。

④放氧生酸型（不活潑金屬的含氧酸鹽），pH變小。電解質(zhì) 溶液復(fù)原—加陽(yáng)離子相同的堿或氧化物。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

《電化學(xué)基礎(chǔ)》不僅系統(tǒng)闡述了電化學(xué)基本原理和電化學(xué)研究方法，還重點(diǎn)介紹了電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的幾個(gè)主要方面和目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，如電化學(xué)工業(yè)、電化學(xué)傳感器、金屬腐蝕、生物電化學(xué)、化學(xué)電源等。具有知識(shí)層次明確，內(nèi)容編排由淺入深、循序漸進(jìn)的特點(diǎn)。本書不僅可作為電化學(xué)專業(yè)的研究生教材，還可供科研院所從事電化學(xué)研究的人員閱讀參考，此外也是高校本科生進(jìn)一步探討電化學(xué)問(wèn)題的參考書。