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燃料电池从入门到精通——第三篇:燃料电池强大基因的揭秘

已有 784 次阅读 2019-12-9 13:09 |个人分类:好好学习|系统分类:科普集锦

第三篇:燃料电池强大基因的揭秘

 

燃料电池的强大基因从他诞生的时候就具备了。当Grove先生最初提出燃料电池的时候,就是想把氢气和氧气直接变成水,同时产生电能。那个年代是电化学突飞猛进的年代,各种新的电化学现象被发现,又过了几十年,各种新的电化学理论也被严密的确立了,电化学的大厦建立了,燃料电池作为这个大厦中的一个美丽的房间,也确立了下来。

 

不得不说,19世纪到20世纪是人类科学技术取得巨大进步的时代,这个时代让我们对化学的认识前所未有的深入了,当然也包括化学能的认识。简单来说,化学能就是电子在物质中的传递过程中所释放出的能量。具体来说,就是氢气里面的电子转移到氧气中的时候就会释放出化学能。

 

这是一种伟大的能量,是我们人类文明持续发展的力量源泉。在远古时候,人类发明了火。火是什么呢?就是木柴在空气中燃烧产生的,通过把木柴中的电子直接而大量的转移给空气中的氧气,就会产生我们所见到的火。包括打火机、汽油、燃气灶等等,都是化学能释放的过程,本质上就是电子猛烈转移的过程。一直到现在的火力发电、内燃机、火箭等都还在利用化学能。

 

但是在几千年甚至几十万年中,人类利用化学能的唯一方法就是火。到了近代,人们又深刻认识到,火其实是一种热能,而化学能很容易转化成热能。后来,发现热能是比较容易可以通过蒸汽机、内燃机、蒸汽轮机等设备转化成动力,也可以用来发电了。但是,后来又发现,热能就是个不折不扣的中间商、收费站,能量到了他那边总是要扣下大部分,只有少部分转化成动力。所以目前的内燃机效率很多时候只有20%左右,甚至更低。大家肯定就不乐意了,总是质问热能老兄,你凭什么扣除那么多能量。就像我们让一个快递带100块钱给另外一个朋友,我们明明给了他100块钱,让他转交一下就变成20了,他自己(热能)扣下80块,这叫谁都接受不了啊。但是‘热能’这个快递还很有理,说:“有本事你让别人快递啊!没我你们还快不到呢,这条线只有我一个人跑,你们必须都来找我。”的确啊,自古以来,都是靠这个“热能”快递在帮忙,虽然收费高,但是一直不辞辛苦,也很可靠,跑了几十万年了。

 

一直到有一天,燃料电池出现了,可以不再需要快递了,只要支付宝、微信转个帐就行了。燃料电池就是这么神奇!说了这么多,终于进入正题了。让我们来解密燃料电池的强大基因。

 

还记得前面说过的,化学能的本质就是电子的转移过程中释放出的能量吗?以前都是通过燃烧,而燃烧是氢气中的电子的直接转移到氧气中,所以只会释放出热能。而燃料电池是把燃料(比如氢气)中的电子先拿出来,通过电线接出来直接变成电能,把电子的能量释放掉之后,再让这个电子跟氧气结合。这样,就完成了化学能直接变成电能,并加以利用的过程,非常的干净利落,非常的直接,非常的高效,也就没有人从中收取高昂的快递费了。所以,燃料电池的效率非常高,理论上可以达到100%,甚至超过100%(主要是在固体氧化物燃料电池中,有兴趣的朋友可以了解一下,理论上可以从熵、焓、自由能的角度分析,大学里会学到这些深奥的热力学知识)。一般来说,燃料电池的实际效率可以达到60%,相对于内燃机的20%左右的效率,要高了很多啊。实际的燃料电池效率达不到100%不能怪燃料电池原理,而是电池材料并不完美、操作条件并不理想等问题造成的。

 

那么燃料电池到底是怎么发电的呢?她的基因就是怎么样的?那么我们就通过一张图来说明一下,如图所示。这张图看上去很复杂,但是实际上已经比真正的基因图简单100倍。其实这个图是一个男孩米奇跟女孩米妮交朋友的故事图,只要听懂这个故事,你就能理解燃料电池的基因了。

 

图片.png


故事是这样的,先看最左边的“起点”,男孩米奇想要跟女孩米妮分享一个苹果,但是米奇是在一个100层的大楼上,如果把苹果从楼上扔下来,那么米妮的篮子非砸坏了不可,而且苹果也会碎掉,甚至还会砸到米妮小朋友。那么怎么办呢?燃料电池老兄就给米奇帮了个大忙,他跟米奇说:“你把苹果给我,我帮你用绳子送下去,同时苹果在下去的可以帮我发电。而你米奇呢,我是没法用绳子送你的,太危险,你就走楼梯吧!”。米奇觉得这个主意不错,于是在白金催化剂的帮助下把苹果给了燃料电池老兄,米奇自己从楼梯下楼了。当他下了楼以后,发现苹果也正好被燃料电池老兄送了下来,并且直接装到了米妮的篮子里面。最后,米妮特别开心,跟米妮一起去玩了。

 

图中已经表明了米奇他们跟实际的燃料电池的对应关系。这里从科学上来说,氢气分子在燃料电池的催化剂上分解成电子和氢离子(也叫质子),然后他们走了两条不同的路径,电子被直接通到燃料电池外面的电路,形成电能,被我们的电灯、手机、汽车、玩具所利用;而氢离子则通过质子交换膜传递到了氧气的一侧;最终,氢离子、电子和氧气在阴极催化剂上复合,形成了水。这个过程中,氢气和氧气的化学能通过电子的流动形成电能,直接被我们所使用。所以我们可以看出,燃料电池能够以最直接的方式,把燃料的化学能转变为电能,为我们所用。这就是燃料电池最强大的根本基因所在。

 

虽然经历了160年,燃料电池的这一强大基因一直保持着,而且从来没有被超越过!

 

那么,既然燃料电池老兄这么厉害,为什么160年了还没有被大家广泛使用呢?什么时候我们才能用上呢?想知道答案,那就接着看后面几篇吧!


 敬请期待:第四篇:充满贵族气息的燃料电池

 





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