電化學發電

電化學發電主要指利用電化學原理實現化學反應中的化學能轉化為電能。

例如：燃料電池是將燃料的化學能通過化學反應轉化為電能的裝置。國際上一些科研機構和財團已經能生產出小到幾瓦，大到幾千千瓦的燃料電池。燃料電池的商業化套用一旦得到推廣，將會給我們的電力套用帶來革命性的變革。

基本介紹

• 中文名：電化學發電
• 外文名：Electrochemical power generation
• 主要套用於：化學電源、生命現象研究
• 主要產品：化學電池
• 最早始於：1663年
• 典型代表：原電池、燃料電池

發展

在1663年，德國物理學家 Otto von Guericke 創造了第一個發電機，通過在機器中的摩擦而產生靜電。這個發電機將一個巨大的硫球放入玻璃球中，並固定在一棵軸上製成的。通過搖動曲軸來轉動球體，當一個襯墊與轉動的球發生摩擦的時候就會產生靜電火花。 這個球體可以拆卸並可以用作電學試驗的來源。

在17世紀中葉，法國化學家 Charles François de Cisternay du Fay 發現了兩種不同的靜電，即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。 Du Fay 發布說電由兩種不同液體組成:"vitreous" (拉丁語"玻璃")，或者正電;以及"resinous", 或者負電。這便是電的雙液體理論，這個理論被17世紀晚期Benjamin Franklin 的單液體理論所否定。

1781年，查爾斯.奧古斯丁 庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 在試圖研究由英國科學家Joseph Priestley 提出的電荷相斥法則的過程中發展了靜電相吸的法則。

1791年伽伐尼發表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的"動物電"現象，一般認為這是電化學的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎上發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的"電堆"，即現今所謂"伏打堆"。這是化學電源的雛型。在直流電機發明以前，各種化學電源是唯一能提供恆穩電流的電源。1834年法拉第電解定律的發現為電化學奠定了定量基礎。

19世紀下半葉，赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦於電池的"起電力"(今稱"電動勢")以明確的熱力學含義;1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質濃度與電極電勢的關係，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電解質稀溶液靜電理論，大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發展。

20世紀40年代以後，電化學暫態技術的套用和發展、電化學方法與光學和表面技術的聯用，使人們可以研究快速和複雜的電極反應，可提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科，它的發展與固體物理、催化、生命科學等學科的發展相互促進、相互滲透。

在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的套用主要有:電解工業，其中的氯鹼工業是僅次於合成氨和硫酸的無機物基礎工業;鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法;機械工業使用電鍍、電拋光、電泳塗漆等來完成部件的表面精整;環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物;化學電源;金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題;許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理。套用電化學原理髮展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。

原電池

電池由兩個電極和電極之間的電解質構成，因而電化學發電的研究內容應包括電解質的研究，即電解質學，其中包括電解質的導電性質、離子的傳輸性質、參與反應離子的平衡性質等，其中電解質溶液的物理化學研究常稱作電解質溶液理論

原電池是利用兩個電極之間金屬性的不同,產生電勢差,從而使電子的流動,產生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應不能逆轉，即是只能將化學能轉換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。

原電池是將化學能轉變成電能的裝置。所以，根據定義，普通的乾電池、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，即本身不會得失電子)等惰性電極插入電解質溶液中。

2、用導線連線後插入電解質溶液中，形成閉合迴路。

3、要發生自發的氧化還原反應。

原電池工作原理

原電池是將一個能自發進行的氧化還原反應的氧化反應和還原反應分別在原電池的負極和正極上發生，從而在外電路中產生電流。

原電池的電極的判斷

負極:電子流出的一極;發生氧化反應的一極;活潑性較強金屬的一極。

正極:電子流入的一極;發生還原反應的一極;相對不活潑的金屬或其它導體的一極。

在原電池中，外電路為電子導電，電解質溶液中為離子導電。

原電池的判定

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

看電極--兩極為導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;

看迴路--形成閉合迴路或兩極直接接觸;

看本質--有無氧化還原反應。

(2)多池相連，但無外接電源時，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。

原電池原理的腐蝕

化學腐蝕與電化學腐蝕的比較如圖1。

圖1化學腐蝕與電化學腐蝕的比較

燃料電池

燃料電池工作原理

用一句簡單的話來描述，我們可以這樣說：燃料電池是把燃料和氧氣的化學能轉化為電能的裝置，它象電池一樣有正負極。一般的電池只能貯存電能，而它卻能源源不斷地發出電來。因此這一點燃料電池類似內燃發電機組，但它運行的溫度要低得多，並且沒有或很少有轉動部件。

燃料電池系統的構成

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

（1）純氫或富氫燃料供給系統；

（2）富氫燃料重整系統；

（3）氫提純系統；

（4）氫氣儲存系統；

（5）燃料電池堆；

（6）輸出能量控制調整器；

（7）電能存儲器；

（8）溫度控制系統；

（9）內部測量控制系統。

燃料電池系統的優越性

（1）燃料電池發電時不需要內燃機，這就意味著和一般的發電機組不一樣，這種發電設備的噪音很低，振動很小，幾乎沒有大氣污染或溫室氣體排放。

（2）低耗電設備如：手機、攜帶型電腦等，及無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周期的充電時間。另外燃料電池的燃料可貯存在本體外的存貯器內，這樣就可以根據使用的要求去調整存貯器大小來調節使用時間。

（3）燃料電池的使用可以減少傳統發電機組、輸電系統、配電系統的投資和運行費用，同時可以 減少發輸配過程中的損耗。

（4）燃料電池發電的效率遠高於傳統的發電機，燃料機組的能量轉換的效率是傳統發電機組的2-4倍。