燃料电池_新型电池和炭素材料.pdf
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1、第四期新型破材料?燃料电池、新型电池和炭素材料泥丈夫一前言由于石油冲击,突然高涨起来的能源危机被人们所关注。在石油需求被缓和 的今天,这种能源危机的势头已经过去了。在此情 况下,对能源的研究开发是不利的。但是,若把这些技术开发的课题进行分类,从技术性,经济性能稳定供给人们能 源 的实用 的课题还是能够进行下去的。在这些课题中,有燃料电 池和 新型电池的研究开发。因为在燃料电池中,燃料的总利用效率特别高。而新 型电池 则可向人类提供稳定的电源。其中,炭素材料又是二者必需的元件,因此对它们进行了充分 的研究。而在基础研究方面则还不够,今后有待于深入。本文想对燃料电池和新型电池 的原理和特征进行初步
2、的论述。对上述电池 的需求作为背景材料的电力供给情况进行简单的述叙。对使用电池带来的好处和 可能性也要 进 行 解说。另外,把研究开发计划和开发现状说明之后,还想对各种电池 应用炭素材料的状况进行叙述。通过这篇文章的发表,若能引起人们对电池的主要材料炭素的高度重视,促进对炭素材料的研究,那我就感到十分幸运。价!,雄#以 一,一蔽危尺”“%&”二,节犷换换拭 以美美 ()旨旨旨旨旨旨(+(昙昙昙爵民民阶阶决决决寒寒,、+(魏魏魏物落落滚滚落落落热热+之 +合合合鹅巨巨书书 云云云奇奇(篡(+毯弟弟理理并并并(一一止止止邵.扮扮姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗图王氧化还原反应流通型 电池的原理和
3、结构二电池的原理和特征新型电池是用来贮藏电能的。在其研究开发过程中,属氧化还原流通型电池。这种电池 由于 目前还没有需求,所以还没有引起人们的关注。但是它的原理很简单,所以用它来作为一个例子说明 电池的原理。正如图所 示的那样,在左侧的槽中贮藏着充电状 态的/&“十离子氯化物的盐酸溶液。用 泵输送到中央的流通型电解槽中,槽中设置的碳布负极将电子输出。在此过程中,将/&01离子被氧化成/2“1离子。于此同时,在右侧槽内贮藏着充电状态的#习毕离子氯化物的盐酸溶液也用泵输送到流通型 的电解槽内。设置在槽中的碳布正极,把外部回路接通的电子收回。使。吕十离子被还原成#“1离子。这就是充电,放电的反复过程
4、。这时,若把 铁和铬离子混合,进行上述反应,只能直接反应产生热量,而不能充电。并且在右则多一个氯 离子而右则就要少一个氯离子。为了防止混合,只 让氯离子通过,在两个电极之间设置 一层离子交换膜。目前已用 只能通过氢离子的阳离子交换膜取代了只能通过氯离子的阴离子交换膜。新型破材料第四期一般情况下,在化学电池中电子的授受是氧化还原过程,并且这种过程分别在两个电极上进行。授受的电子把外部回路接通之后,氧化和还原反应的盖斯自由能 可直 接变换成 334 的电能。在电池的内部,电荷的担体是离子。而电极能引起离子,电子以及电荷担体的变化。电池的基本结构在电化学反应的场合必须有两个电极。在两电极之间夹着只能
5、通过离子的电解质。在化学电池中,和氧化还原反应流通型电池一样,反应的物质是由电池外部供给的。而铅蓄电池的反应物质予先就贮藏在电池里了。另外,还有象铅蓄电池那样的能够充电的电池和象干电池那样的不能充电的电池。根据上述观点,把电池进行了分类如表所示。表+化学电池的分类裹?一般民用侣料电池的种类污卜半碱水溶液电解质内的电荷担体/52一678工作温度95/.3一?3:;3:333常温:33改剑泪+,一,=川日=可能使用的反应物729含有少量./6甲醇天然气至石脑油的轻质油72,/9碳氢合物.72/69碳氢化合物.可能使用的可燃矿物燃料石油天然气煤甲醇石油天然气煤甲醇 3煤气改.3然”煤9质内9淤反应物
6、内藏(反应物由电池外供给发电热效率94.约39天然气.不能充嫩料电池电?能充电一次电池9例2乾电池.二次电池9例2铅蓄电乞 电.再生型燃料电池9例氧化还原反应流通型电池其中,目前正在开发的大功率发电设备是取代火力发电的高效率既能供电又能供热的嫩料电池和取代水力发电的能贮藏电能的二次电池和再生型燃料电池。在表?和表中更具体地说明了有关电池的情况9更详细的情况在本文的后面叙述.。把氢和氧气应用于嫩料电池的场合,正如图?所示的那样,在嫌料极,氢分子被氧化成为氢离子和电子。在空气极,空气中的氧分子被还原,和电解质中移动着的氢离子以及把外部回路接通的电子反应生成水。在此反应过程中,象前面所述的那样参加反
7、应的盖斯自由能可 334地变成 电能。摩尔氢原子和?摩尔的氧原子在?反应,生成了摩尔水时盖斯自由能的变化是?。!摩尔。这时阿伏加德罗数的?倍电子流向外部回路,因此电买用化予测(?以氢为能时期。牛(”“牛?。年,的时代8动势能够进行理论计算。其值为。?。在别的电池中,电动势都不 高,象。?就算是相当高了。因此,为了得到实用的电压,必要把许多电池串联起来。实际上,电流一通过在电池内就会有各种电子。8厂。荷?勺+:工众石二不?中6、一23阶派?闷阳电解 质里 团“”岑以磷从多孔 性含幻季贬?于!壬#!?一 书#厂%田?第一代燃料电池的工作原理第四期新型碳材料表新型电池和铅,电池的特性比较孟嗜老钠硫电
8、池锌氯电 池锌澳电 池氧化还原反应流通 型电池铅 蓄电 池起电反应1兮20/)20/)2,十&2&2/&1,1#121、3217238/&11#12,?3;开路电压9.“(?,?反应物质9负极9液.9固./)29气.09固.9液.(/&1液.#1,9液.9固.529固.一)仪,8 8=,#盆?一一,以陌,=正极.反应物利用率4334口34 3一34 34电解质固体电解质9日一氧化铝.0/)2水溶液0&2水液溶9/)添加.7/水溶液72 3水溶液工作温度 33一35/?3一35/9水和槽温度.一。.?3一3一 35/一35/资源、价格面其它温度控制热管理金属 钠的安全措施完全密闭型电解液循环温度
9、控制氯气的安全使用措施电压特性好电解质循环对澳的安全使用措施分离器的开发电极为催化剂氧化还原水溶液循环/&和氯的环境保护措施适用于周电贮藏间已有)。年以上的历史有十分稳定的性能?&钾浑阻力。因此端电压要比理论电动势小。图表示了上述样子的模式。通过电极单位面积的电流即电流密度越大,两极的电压就低越。两极电压和两极的理论电动势之比叫做电压效率。极电压低,电压效率也低。因此,在一般情况下,电流密度越小电压效率就越高。引起电压降低的原因是电池中的内阻。内阻包括,伴随着电极内电子的移动和电解质内离子的移动所产生的 电阻,向反应物质的反应界面扩散以及向反应生成物的反应界面扩散 的阻力。将上述阻力减少是非常
10、重要的研究课题。因此,研究嗜开发用于电池电极的炭素材料也有十分重要的意义。图中曲线的一点是处于对 电池效率和()月 ,月卜 ,月 叫、之、浓度分 极电夭密度图电池渝出功率待性的模式图斗,+。“一一一)一犷经济性的考虑而确定的设计点,领定值%。另妙,反应物在反应之外的消耗也是电流效率低的原因之一新型碳材料第四期?口壮纂立丁毋廿,汁毋牢.如 图?所示,目前正在开发的大规模发电装置的燃料电池,可燃矿物燃料不能在电极中直 接反应。必须将它们 改质为在电极中容易反应 的氢,和 一氧化碳%。另外,电池的输出是直流,现在的电力系统一般是交流。所以需要直接交变换。如 果增加这些因素,燃料电池发电装置 的结构就
11、象表/所示的那样。而新型电池 的电能贮藏装置由图云所示的系统构成。)一飞0口,送电系统%用户一一+一一)变变一狂1览备备+一+2扭一一一一一一万一一 一一一 一一 几口口白,。三,奋 、&扭3勿4,、&胜百产盯仁&5、&习川勺工06 0 产,交流%电左坐摊伎钱,直流%&一阵吧7渐必8控控制装 置置可燃犷物校校校校校校校校校校静 0装置置徽徽 料改质质质质谧 度 浓度度9 9 9装置0 0 0 0 0 0 0压 力 翰出出0 0 0水蒸气0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0:改质
12、器0 0 0 0 0 0 0也力变换换、怜换反0 0 0 0 0 0 0技哭 毛毛应器脱2 2 2 2 2 2 2,冤 交9 9 9,佣器等卜卜卜卜变 换 器琴琴训训训训训长器 废废 尧尧二交诬摘出串联电池 摧少业月蟹曳迪;丝曳他肛山坦十胭绷集 合电池单电池,电力贮改用二次电池装置%燃烧很少。,了%燃料电池是直接发电,没有卡诺循环的制 约,没有必要冷却。可利用 附近 的废热得到电池的工作温度。根据上述特点,和以往的火力发电,水力发电以及原子能发电相比,基本上是不 相同的。下面想谈一下燃料电池在电力系统 中所起的作用和目前电力供给的关系。三在电力系统中电池所起的作用电力最大特点之 一是生产与消费
13、在同时间进行。为了适应 电力的消费,才进行发电,其会?了石高介 即喇杯夕图我国不同季节里一天内电力消耗量的变化情况目的是把具有一个定值的电压和频率的优质电力供给用户。第四期新型碳材料昭和小时电力消耗情况。另一方面,自从石油冲击以来,在发电工业中,使用石油发电的比例减少 了。于此同时以原子能发电和用煤9和液态天然气.发电 的比例 增加 了。而这些发电方式都不能适应随着上述电力消耗 的变动 的情况。并且火力发电的效 率只有 3 4。通常对;34 的废热也 不能利用。另外,由于厂址 的选定十分困难,不得不选择在很远的地方。从设计到完工 的时间也很长。根据 上述情况以及前面所述的电池特性,若把 电池组
14、合在供 电系统内,有没有好处呢有没有可能性呢图 概括 了这些 问题。在电池 特点的举例中,只适用于燃料电池。图 将此也 包括进去了。前面所述的电池第一特征即 负荷 的追 随性,部分负荷特性,过负荷 牡性是原子 能发电和煤发电所没有的优点。负荷追随性和部分负荷特性优良的 电池,适应 于随着负荷变化而进行高效 率 的发电。如果电池 把负荷变动 的程度分担下来,其它发电机就 能高效率地运 转。这样就能使整个供 电系统提高效率。从而 可节省很多的能源。而燃料电池起动 时间短,能耐过负荷,所以具有供电的潜力。为了达到直交变换,应 当通过换流器将电池 和 电力系统连 接。若 电力系统发生故障,一也涉及不到
15、电池 附近,所以电力系统发生故障时 可用燃料电池 供 电。这样就提高了供电的信赖度。燃料电池是直接发电,它发电效率高并且又不要冷却。当盖斯自由能不能变换 为 电 能时,随 着嫡的变化,在电池工作温度附近可将能够利用 的废热排出。发发电装泞 的位置置起起起起起起起起三允已寸吮吮电电栈反应应应应应应应应应应应应应应约约艳分性性性性性性性性性性性性性。丁 理曳处处二之&息念之 2艾艾系系系系系系系系系级派主主?凭正交变变变故 简不涉涉涉涉涉涉涉涉涉 示示示示示示示示及电池池池臀2员员离离离离离离离离离离离离离离离离离离离 发 电电电电电电直直流发屯不支支支效仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁一一卜落话环
16、 约约约约约约约限限御9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9才才才才才才才才才才才才扭扭?:、洁洁洁洁洁洁洁洁洁洁洁洁洁%可厂戈戈戈能 足户自自 戈护护护护,?、?司司司司司小 仪犯犯犯犯犯犯犯犯犯发发发发发发发发发发发毛毛毛刊 月!互也也不不况少少少少少自己发 电电微微整组合合合合合合合合合合合合绮绮 均均均一户,:?,?曰曰不不不不不不不不不牛2壳吸吸获获术人从从从从从从从从从从从从从万万万万万万万万万万万万另灵灵,工工 厂生产产产产产产产产产产产产产(?定型型?冤了摺摺的的的的的洲间狡狡?质 皇管理理理理产一%!2心、十2月图燃料电池装置的特征、优点和 使用可能性新型破材料第四期电池
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