燃料电池(高考真题高考试题)_中华文本库
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1.氢氧燃料电池的突出优点是把化学能直接转变为电能,而不经过热能这一中间形式,已用于宇宙飞船及潜艇中,其电极反应为:负极:2H2+4OH--4e
-4H2O正极:O2+2H2O+4e-4OH-
所产生的水还可作为饮用水,今欲得常温下1 L水,则电池内电子转移的物质的量约为(
A.8.9×10-3 mol
B.4.5×10-2 molC.1.1×102 mol
D.5.6×10 mol
2.质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料,空气为氧化剂,铂作催化剂,导电离子是H+。下列对该燃料电池的描述中正确的是(
①正极反应为:O2+4H++4e-
②负极反应为:2H2-4e-4H+
2H2O 2H2O ③总的化学反应为:2H2+O2
④氢离子通过电解质向正极移动
D.①②③④
3.美国加州Miramar海军航空站安装了一台250 kW的MCFC型燃料电池,该电池可同时供应电和水蒸气,其工作温度为600~700 ℃,所用燃料为H2,电解质为熔融的K2CO3。该电池的总反应为2H2+O
-H2O+CO2。则下列推断中正确的是(
2H2O+O2↑ 2H2O,负极反应为H2+CO32- A.正极反应:4OH--4e-
B.当电池生成1 mol H2O时,转移4 mol电子
C.放电时CO32- 向负极移动
D.放电时CO32- 向正极移动
4.有四种燃料电池:A.固体氧化物燃料电池 B.碱性氢氧化物燃料电池 C.质子交换膜燃料电池 D.熔融盐燃料电池, 下面是工作原理示意图,其中正极反应生成水的是(
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寻找更多 ""科学家成功开发便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法不正确的是()A．在熔融电解质题文科学家成功开发便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法不正确的是? ( )? A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极? B．该电池的总反应是：C3H8+5O2=3CO2+4H2O? C．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙烷被完全氧化? D．通丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为：C3H8－20e－+10O2－=3CO2+4H2O科学家成功开发便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法不正确的是()A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极B．该电池的总反应是：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙烷被完全氧化D．通丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为：C3H8－20e－+10O2－=3CO2+4H2OA略河南省郑州四中2013届高三第三次调考化学试题答案A相关试题文档分类：
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文档介绍：
. 燃料电池的表面与界面问题研究简介燃料电池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。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时,电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质,与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量,通常用安培小时作单位。在电池反应中, 1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行,同时电池内阻也要引起电动势降,因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大,其内阻越小。燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说, 燃料电池具有以下特点: 能量转化效率高;有害气体 SOx 、NOx 及噪音排放都很低;燃料适用范围广;积木化强; 负荷响应快,运行质量高。能量变化:为了利用煤或者石油这样的燃料来发电,必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽,蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说,我们是把燃料的化学能转变为热能,然后把热能转换为电能。一个电极上的电势比另一个电极上的大,因此, 如果这两个电极用一根导线连接起来,电子就会通过导线从一个电极流向另一个燃料电池电极。这样的电子流就是电流,只要电池中进行化学反应,这种电流就会继续下去。发电系统:利用天然气的发电系统;利用煤炭的发电系统。燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气,高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。表面与界面:任何材料都有与外界接触表面或与其他材料区分的界面,材料. 的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料的表面与其内部本体, 无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别, 这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的, 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的, 因此产生了表面能。对于不同组分构成的复合材料,组分与组分之间可形成界面,某一组也可能富集在材料的表面上。即使是单组分的材料,由于内部存在的缺陷(如位错等) 或者晶态的不同形成晶界, 也可能在内部产生界面。材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响, 材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、黏结、复合等, 无不与材料的表界面密切有关。因此研究燃料电池表界面现象具有重要的意义。燃料电池分类: 燃料电池种类繁多,除了氢氧质子交换膜燃料电池,还有熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、金属空气电池等等。下面主要介绍一下以下主要几种燃料电池: 1)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下:阴极: O2+2CO2 +4e- →2CO 阳极:2H2 +2CO32- →2CO2 +2H2O +4e- 总反应:O2+2H2 →2H2O 熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池( 600 ℃~700 ℃),具有效率高(高于 40% )、噪音低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点,是下一世纪的绿色电站。燃料电池工程中心研制和小批量生产隔膜材料和电池隔膜,制备 MCFC 电极并组装数千瓦的电池组。已可批量生产隔膜材料 LiAlO2 粉料,开发成功制备 1000cm2 LiAlO2 隔膜的工艺,已组装了 28cm2 、110cm2 单电池,并进行了电池性能的评价和研究,现正在进行千瓦级电池组的研制。 2 )质子交换膜燃料电池(PEMFC) :一种清洁的能源转换装置,它可以将燃料与氧化剂的化学能直接转换成电能。具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点,最有希望成为电动汽车的动力源。大多数 PEMFC 都是由双极板连接排列成链式结构的。双极板约占整个 PEMFC 总质量的 70%&--80 %,成本约占总成本的 40%'--'50 %。成本太高是 PEMFC 目前难以商业化应用的主要因. 素,而且质量比功率和体积比功率较低。不锈钢是目前广泛研究的代替传统石墨板的双极板金属材料。但是,由于较低的耐蚀性与较高的接触电阻,使得 PEMFC 还不能大规模的商业生产。 3 )一体式再生燃料电池(URFC) :既可以实现燃料电池(Fuel Cell ,FC) 功能又可以实现水电解(Water Electrolysis ,WE) 功能㈣ J ,能量密度高、使用寿命长。是再生燃料电池中最先进的一种技术。URFC 在水电解模式工作时,新生态氧对膜电极产生很大的腐蚀,进而影响膜电极的使用寿命,特别是 Fc和WE多次循环反应后。膜电极的腐蚀和分层以及气体扩散层的腐蚀问题。闲此,选择合适膜电极制备丁艺和关键材料,提高膜电极的使用寿命。成为研制 URFC 的技术难点。 4 )固体氧化物燃料电池(SOFc) :是 1 种高效、经济、环保,将化学能直接转换成电能的装置。在SOFC 商业化进程中,降低其运行成本,提高其运行时的稳定性是十分关键的。当把 SOFC 操作温度降低到中温操作温度(600 ℃~800 ℃)时, 不仅可以采用不锈钢作为连接材料,而且电池部件间在高温下呈现的热膨胀不匹配及各材料间的扩散反应现象能得到有效缓解,延长了材料的使用寿命。然而传统的 SOFC 电解质材料氧化钇稳定的氧化锆(YSz) 在中温下的离子电导率太低,从而限制了其在中温 sOFC 中的应用。和YSz 相比,掺杂氧化铈(DCO) 有高的离子电导率,相近的热膨胀系数,更适合作为中温 SOFC 的电解质。表面与界面问题通常的燃料电池中都是以贵金属铂( Pt)作为氧气还原( ORR )的催化剂。但是,除了昂贵的价格外, Pt基催化剂还有着许多缺点,例如,缓慢的阴极氧还原动力学,在工作过程中易团聚,容易被其他含氧基团毒化等不利因素。所以,寻找并开发一种价格低廉但性能稳定的非 Pt催化剂成为当今能源领域一个重中之重的研究课题。燃料电池阴极催化剂的催化活性和稳定性是衡量催化剂好坏的重要指标,所以提高催化剂氧还原活性和克服双氧水腐蚀和还原不完全造成的能量损失都是急需解决的棘手的科学难题。一般情况下,所有的催化反应都是在催化剂的表面或界面发生。例如,金属/ 氧化物界面由于电子结构的改变能有效的提高催化剂的催化活性。但是在电化学环境中,对于不同氧化态的影响仍然很难验证,同时也是很难解决的科学难题。. 然而对异质双金属催化剂界面的控制由于材料设计和制备的困难,很难从实验上论证异质双金属界面对催化活性提高的作用,也是急需解决的科学难题。在充分发挥非水电化学技术合成异质金属催化剂的优势的基础上,创造性的设计了界面可控的异质 Pd-Au 纳米颗粒管催化剂1
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　　燃料电池是电动汽车重要动力源之一，迄今为止，人们研究过的燃料电池品种很多，其分类方法也很多。有按工作温度高低分类，如低（常）温燃料电池、中温燃料电池、高温燃料电池（400℃以上）；有按电池工作状态...
　　燃料电池是重要动力源之一，迄今为止，人们研究过的燃料电池品种很多，其分类方法也很多。有按工作温度高低分类，如低（常）温燃料电池、中温燃料电池、高温燃料电池（400℃以上）；有按电池工作状态分类，如固体燃料电池、液体燃料电池、气体燃料电池；也有按燃料种类来分，如氢氧燃料电池、钠氧燃料电池、甲醇燃料电池等。目前较为普遍接受的是按电解质的不同进行分类。
　　一、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC)
　　碱性燃料电池的燃料是氢，氧化剂是氧或空气。采用35%~50%的KOH水溶液作为电解液，它浸在多孔性石棉膜中或装在双极板电极的碱腔中，石棉膜两侧分别压上多孔性阴极和阳极。电池工作温度一般在60~220℃，可在常压和加压下工作。该电池的电极反应原理是：
　　这种电池具有以下优点：
　　1)可以采用非贵金属催化剂，这是由于在碱性介质中氢的氧化和氧的还原交换电流密度高。
　　2)成本低，因为可用镍做双极板材料。
　　3)工作电压高、效率高，工作电压可选0.8~0.95V，效率高达60%~70%。
　　4)启动快，可在室温和常压下工作。
　　碱性燃料电池致命缺点是容易吸收空气中CO2生成碳酸盐，堵塞多孔性电极中的小孔，使电极无法正常工作，故需要用纯氧作氧化剂，成本高，因而不能作为电源。在美国宇宙飞船上曾得到应用，德国也曾经用它制成100kW电池系统在205级潜艇AIP系统做过试验。目前已经不用，研究工作很少，电池技术进展很小。
　　二、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)
　　磷酸燃料电池以纯磷酸为电解质，它包含在用PTFE粘结成的SiC粉末基质中作为电解质，其厚度一般只有100~200&m。电解质基质两边分别附有铂催化剂的多孔性石墨阴极和阳极。在阳极（电池负极），燃料气中的氢气在电极表面发生电化学反应生成H+，并放出电子：
　　在阴极（电池正极），H+和空气中的氧进行电化学反应生成水：
　　电池总反应
　　电池工作温度一般在180~210℃。选择这一温度范围依据是磷酸的蒸汽压、材料的耐腐蚀性能、催化剂耐CO能力及电池性能的要求。提高工作温度会使电池发电效率更高。
　　电池的工作压力：小功率电池堆采用常压操作；在较高压力下运行时，会使电化学反应速度加快，发电效率提高，因而大功率电池堆则采取加压操作，一般工作压力设定在0.7~0.8MPa。
　　单电池工作电压在0.8V以下，发电效率达40%~50%。
　　磷酸燃料电池不受CO2限制，可使用空气作氧化剂；燃料可以用重整气，但由于电池使用铂作催化剂，CO对电池性能影响很大。此外硫化物气体也会降低电极的催化活性。
　　该电池适合用作固定电站。虽然电池制作成本低，但它的运行发电成本比网电价格高很多。目前为美元／kW。
　　三、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)
　　熔融碳酸盐燃料电池的电解质是Li2CO3-Na2CO3或Li2CO3-K2CO3的混合物熔盐，浸在用LiALO2制成的多孔隔膜中，载流子是碳酸根离子。阳极催化剂通常采用Ni-Cr或Ni-Al合金；阴极催化剂采用NiO，电池工作温度为600~650℃。电池的双极板通常采用不锈钢或镍基合金钢制成。
　　电池的成流反应过程：氧气在阴极（电池的正极）和CO2一起在催化剂作用下被氧化成CO32-离子，后者在电解液中迁移到阳极（电池的负极），与氢气作用生成CO2和水。
　　该种高温燃料电池比低温燃料电池具有许多优势：①可以使用石化燃料。②电池产生的废热具有更高的利用价值。③在较高温度下，CO是一种燃料。④在较高温度下，不需要使用贵金属作为催化剂。⑤电池反应中的载流子不需要使用水介质，避免了复杂的水管理系统。
　　熔融盐燃料电池的燃料可以使用重整气体，也可以利用天然气进行内部重整发电。目前美国和日本均在MW级实验电厂中作运行示范，对电堆的寿命、性能、成本和系统可靠性进行考核。这种电池不适合做电动车动力源。
　　四、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)
　　固体氧化物燃料电池电解质是氧化钇掺杂的氧化锆，它在800~1000℃高温下具有氧离子导电性。电池的成流反应过程是：空气中的氧气在阴极（电池的正极）得到电子生成氧离子O2-，后者经过电解质由阴极流向阳极，同燃料分子（H2、CO或CH4）发生电化学反应生成水并放出电子，后者由阳极经外电路流向阴极：&&&&&
　　SOFC的结构主要有管式、平板式和瓦楞式三种，其中以管式比较成熟。该电池的主要特点有：
　　1)在高温1 000℃下工作，不需要使用贵金属作为催化剂，因而不受进气中CO的影响，可用空气作氧化剂，也用天然气或甲烷作燃料。
　　2)电池开路电压高，可达到理论值的96%。
　　3)电池内阻小，可在高电流密度下工作。
　　4)燃料利用率高，一次循环电效率可以超过70%，如果热电联供，理论热电转换效率可达90%。
　　该电池成本过高，限制了它的应用。今后除设法降低成本外，还
要研制新材料，使工作温度降低到400~600℃。
　　五、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)
　　质子交换膜燃料电池系采用全氟磺酸质子交换膜作电解质，可在常温80℃工作。燃料直接使用氢或直接使用甲醇。PEMFC具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点。近期发展很快，适合于作电源。&
　　六、直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)
　　直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种，其膜电极组件MEA基本上跟PEMFC相同，只是使用的燃料有所不同：DMFC使用的是液态甲醇，PEMFC使用的是气态氢。该电池的成流反应是：
　　&&&&&&
　　电池工作时，甲醇被输送到阳极室，在阳极上被氧化为CO2，同时生成6个质子和6个电子；电子经外电路由阳极到达阴极，质子经质子交换膜由阳极到达阴极。氧气在阴极上与到达阴极的质子和电子结合生成水。电子通过外电路做功。
　　根据参与电池反应的物质的热力学数据可以计算出，在标准状况下，DMFC的电动势达到1.21V，能量转换效率高到97%。但由于在实际使用时电极极化和欧姆压降较大，电池的输出电压和能量转换效率都较理论小很多。
　　虽然由甲醇重整制氢作为PEMFC氢源的已经开发了不少，但作为车用动力源的直接甲醇燃料电池还研制得较少。虽然克莱斯勒公司曾开发出DMFC电动汽车样车，但它的最高时速只有& 35km/h，续行里程也只有15km。2003年雅马哈发动机公司试制出DMFC摩托车，功率为500W，重20kg，间歇运转时间1000h。造成
这种状态的原因是由于DMFC存在以下问题：
　　1)Pt催化剂对醇类的催化活性较低，而且易被氧化的，中间产物毒化；
　　2)甲醇易透过Nafion质子交换膜，既浪费了燃料，又降低了电池性能；
　　3)贵金属催化剂用量多，Nafion质子交换膜价格高，因而DMFC的成本高；
　　4)甲醇易挥发，有毒性。
　　虽然如此，但DMFC作为小型仪器用电源却得到了很快发展。例如，杜邦和英国的CMR燃料电池公司已生产出直接甲醇燃料电池的样机，其大小为目前用于便携式电子设备的标准电池的1/10，成本为1/5。这种燃料电池的工作时间，比笔记本电脑和其他电子设备中的常规电池要长4倍。韩国LG化学公司成功开发出便携式甲醇燃料电池，2005年投入规模生产。该燃料电池的使用寿命超过4000h，电池的甲醇燃料容量小于1L，质量小于1kg。它易于携带，适用于微型电脑或为其他电子装置供电。一个容量约200mL的甲醇燃料贮存器可供25W的微型电脑使用10个多小时。
　　七、几种燃料电池的比较
　　表10-1列出了五种燃料电池的主要性能的比较，其中碱性燃料电池曾在美国的阿婆罗飞船上使用过，但现在的宇宙飞船上已经由太阳电池和蓄电池供电了。
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