干電池、充電電池、燃料電池各自的特點(diǎn)、用途、回收途徑和電池反應(yīng)~

【專家解說】：干電池 常用的一種是碳-鋅干電池(圖3)。負(fù)極是鋅做的圓筒，內(nèi)有氯化銨作為電解質(zhì)，少量氯化鋅、惰性填料及水調(diào)成的糊狀電解質(zhì)，正極是四周裹以摻有二氧化錳的糊狀電解質(zhì)的一根碳棒。電極反應(yīng)是:負(fù)極處鋅原子成為鋅離子(Zn++)，釋出電子，正極處銨離子(NH嬃)得到電子而成為氨氣與氫氣。用二氧化錳驅(qū)除氫氣以消除極化。電動(dòng)勢(shì)約為1.5伏。 蓄電池 種類很多，共同的特點(diǎn)是可以經(jīng)歷多次充電、放電循環(huán)，反復(fù)使用。 概述 簡(jiǎn)單地說，燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。 [編輯本段]燃料電池的特點(diǎn) 燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點(diǎn): (1)能量轉(zhuǎn)化效率高 他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率在45%~60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%。 (2)有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，無機(jī)械振動(dòng)。 (3)燃料適用范圍廣 (4)積木化強(qiáng) 規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適 (5)負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高 燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負(fù)荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻燃料電池原理率偏移和電壓波動(dòng)，降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。 [編輯本段]“燃料”和“電池” 為了了解它的價(jià)值，讓我們分別研究一下“燃料”和“電池”這兩個(gè)詞。 為了利用煤或者石油這樣的燃料來發(fā)電，必須先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說，我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過程中，許多原來的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，而無需昂貴的費(fèi)用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此，我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大，因此，如果這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來，電子就會(huì)通過導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種電流就會(huì)繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過來發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果你試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。 燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能也通過一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔?，比通常通過兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類提供的電量就大大地增加了。 目前，燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類得到了發(fā)展，即堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、磷酸鹽型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、固體氧化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)、固體聚合物燃料電池(Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又稱為質(zhì)子交換膜燃料電池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、及生物燃料電池(BEFC)。按工作溫度它們又分為高、中、低溫型燃料電池。工作溫度從室溫到373K(100℃)的為常溫燃料電池，如SPFC;工作溫度在373K(100℃)~573K(300℃)之間的為中溫燃料電池，如PAFC;工作溫度在873K(600℃)以上的為高溫燃料電池，如MCFC和SOFC。 燃料電池實(shí)質(zhì)上是以控制氫彈爆炸的觀念設(shè)計(jì)，太空船上的燃料電池是用來聚集星際旅行之間的氫氣所產(chǎn)生的能量之用。太空船的太陽(yáng)能板所聚集的電磁和太陽(yáng)能將會(huì)轉(zhuǎn)換成電能，而電能會(huì)用來慢慢地將存放在燃料電池內(nèi)的氫置換成燃料。燃料電池也內(nèi)含了一小部份受控制量的可進(jìn)行核分裂的物質(zhì)，這些物質(zhì)依序用來與氫核進(jìn)行核反應(yīng)。核反應(yīng)在燃料電池內(nèi)進(jìn)行，在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來推進(jìn)太空船。在最后的旅程階段，燃料電池提供了燃料火箭動(dòng)力所需的氫。這整個(gè)過程受控在強(qiáng)大的電磁下，它能提供能量并且避免過量的能量外泄導(dǎo)致反應(yīng)爐核心融毀。核反應(yīng)的一項(xiàng)副產(chǎn)物--熱能，則被燃料電池的外壁吸收并轉(zhuǎn)換成供給電腦、維生系統(tǒng)和其他必要功用的電能。 經(jīng)過多年的探索，最有望用于汽車的是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是:將氫氣送到負(fù)極，經(jīng)過催化劑(鉑)的作用，氫原子中兩個(gè)電子被分離出來，這兩個(gè)電子在正極的吸引下，經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流，失去電子的氫離子(質(zhì)子)可穿過質(zhì)子交換膜(即固體電解質(zhì))，在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水。由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫，并及時(shí)把水(蒸汽)帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。 世界上最小的燃料電池--直徑只有3毫米 美國(guó)科學(xué)家最近研制出世界上最小的燃料電池，這種電池的直徑只有3毫米，可以產(chǎn)生0.7伏的電壓并能持續(xù)供電30個(gè)小時(shí)，這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發(fā)電，它由四個(gè)部分組成。上一層是儲(chǔ)水池，下層是一個(gè)裝有金屬氫化物的燃料堂，中間以一層薄膜隔開，在金屬氫化物的燃料堂下放，還有一組電極。薄膜上還有許多小孔，使得儲(chǔ)水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進(jìn)入燃料堂，水分子進(jìn)入燃料堂后，與金屬氫化物發(fā)生生化學(xué)反應(yīng)幷產(chǎn)生氫氣。氫氣隨之會(huì)充滿整個(gè)燃料堂，幷向上沖擊薄膜。阻止水流繼續(xù)流入，然后氫氣會(huì)在燃料堂下層的電極處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成電流。 新電池體積非常的小，規(guī)模為 3x3x1毫米。而且沒有重力。其表現(xiàn)張力可以控制水流，這意味著即使處于移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也能夠很好的工作。因此它最適用于一些小電器?，F(xiàn)在，這種電池可以產(chǎn)生0.7伏電壓和一毫安電流，電燃料可以持續(xù)30小時(shí)左右。 [編輯本段]燃料電池的發(fā)明 雖然燃料電池這個(gè)名詞出現(xiàn)在人們 眼前的時(shí)間并不長(zhǎng)，但它的歷史已經(jīng)可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer兩位化學(xué)家想用空氣和工業(yè)煤氣制造一個(gè)實(shí)用的能提供電能的裝置，“燃料電池”一詞也就隨著他們的發(fā)明而誕生了。現(xiàn)代燃料電池技術(shù)興起于20世紀(jì)60年代，為了給航天飛機(jī)尋找高效能的電能裝置， 美國(guó)宇航局跟GE公司合作開發(fā)了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的燃料電池-質(zhì)子交換膜燃料電池，這也是燃料電池商用化的開始。此后，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，燃料電池的家族越發(fā)的人丁興旺，而應(yīng)用領(lǐng)域也遍及各處。 [編輯本段]中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開展燃料電池方面的研究。中國(guó)在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破。中國(guó)政府十分注重燃料電池的研究開發(fā)，陸續(xù)開發(fā)出百瓦級(jí)-30kW級(jí)氫氧燃料電極、燃料電池電動(dòng)汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組，開發(fā)出電動(dòng)轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，使中國(guó)的燃料電池技術(shù)跨入世界先進(jìn)國(guó)家行列。 在當(dāng)今全球能源緊張、油價(jià)高漲的時(shí)代，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)闅淠艿膬?yōu)勢(shì)明顯，清潔、高效，因此得到各國(guó)政府的大力支持，加上各種能源動(dòng)力企業(yè)對(duì)燃料電池的發(fā)展信心十足，所以燃料電池未來市場(chǎng)將有巨大的上升空間。 盡管現(xiàn)在燃料電池的市場(chǎng)需求相當(dāng)小，預(yù)計(jì)在隨后的十年間，隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，燃料電池的生產(chǎn)成本與使用成本將下降，競(jìng)爭(zhēng)力提高，燃料電池潛在的市場(chǎng)將會(huì)逐步發(fā)展起來。現(xiàn)在對(duì)于便攜式燃料電池的需求相當(dāng)少，但便攜式燃料電池市場(chǎng)將是從現(xiàn)在到2011年甚至更長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的燃料電池系統(tǒng)在最近幾年中就會(huì)商業(yè)化。 [編輯本段]燃料電池技術(shù)分類 燃料電池的種類按不同的方法可大致分類如下: 1. 按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。 2. 按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。 因此，燃料電池可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。在燃料電池中，磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以冷起動(dòng)和快起動(dòng)，可以用作為移動(dòng)電源，適應(yīng)FCEV使用的要求，更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。 3. 按燃料類型分。 有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器"重整"為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。 4. 按燃料電池工作溫度分。 有低溫型，溫度低于200℃;中溫型，溫度為200~750℃;高溫型，溫度高于750℃。 在常溫下工作的燃料電池，例如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉(zhuǎn)化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質(zhì)量較輕。但催化劑鉑(Pt)會(huì)與工作介質(zhì)中的一氧化碳(CO)發(fā)生作用后產(chǎn)生"中毒"現(xiàn)象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑(Pt)的價(jià)格很高，增加了燃料電池的成本。 另一類是在高溫(600~1000℃)下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復(fù)合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。 最實(shí)用的燃料電池是以氫或含富氫的氣體燃料，但是在自然界是不能直接獲得氫的，燃料電池氫的;來源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼氣、天然氣、石腦油和煤氣中，經(jīng)過重整、裂解等化學(xué)處理后來制取含富氫的氣體燃料。氧化劑則采用氧氣或空氣，最常見的是用空氣作為氧化劑。