[科普中国]-电化学发电

发展

在1663年，德国物理学家 Otto von Guericke 创造了第一个发电机，通过在机器中的摩擦而产生静电。这个发电机将一个巨大的硫球放入玻璃球中，并固定在一棵轴上制成的。通过摇动曲轴来转动球体，当一个衬垫与转动的球发生摩擦的时候就会产生静电火花。 这个球体可以拆卸并可以用作电学试验的来源。

在17世纪中叶，法国化学家 Charles François de Cisternay du Fay 发现了两种不同的静电，即同种电荷相互排斥而不同种电荷相互吸引。 Du Fay 发布说电由两种不同液体组成:"vitreous" (拉丁语"玻璃")，或者正电;以及"resinous", 或者负电。这便是电的双液体理论，这个理论被17世纪晚期Benjamin Franklin 的单液体理论所否定。

1781年，查尔斯.奥古斯丁 库仑 (Charles-Augustin de Coulomb) 在试图研究由英国科学家Joseph Priestley 提出的电荷相斥法则的过程中发展了静电相吸的法则。

1791年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的"动物电"现象，一般认为这是电化学的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用不同的金属片夹湿纸组成的"电堆"，即现今所谓"伏打堆"。这是化学电源的雏型。在直流电机发明以前，各种化学电源是唯一能提供恒稳电流的电源。1834年法拉第电解定律的发现为电化学奠定了定量基础。

19世纪下半叶，赫尔姆霍兹和吉布斯的工作，赋于电池的"起电力"(今称"电动势")以明确的热力学含义;1889年能斯特用热力学导出了参与电极反应的物质浓度与电极电势的关系，即著名的能斯脱公式;1923年德拜和休克尔提出了人们普遍接受的强电解质稀溶液静电理论，大大促进了电化学在理论探讨和实验方法方面的发展。

20世纪40年代以后，电化学暂态技术的应用和发展、电化学方法与光学和表面技术的联用，使人们可以研究快速和复杂的电极反应，可提供电极界面上分子的信息。电化学一直是物理化学中比较活跃的分支学科，它的发展与固体物理、催化、生命科学等学科的发展相互促进、相互渗透。

在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用主要有:电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业;铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法;机械工业使用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整;环境保护可用电渗析的方法除去氰离子、铬离子等污染物;化学电源;金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题;许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理。应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段。1

原电池电池由两个电极和电极之间的电解质构成，因而电化学发电的研究内容应包括电解质的研究，即电解质学，其中包括电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质等，其中电解质溶液的物理化学研究常称作电解质溶液理论

原电池是利用两个电极之间金属性的不同,产生电势差,从而使电子的流动,产生电流.又称非蓄电池，是电化电池的一种，其电化反应不能逆转，即是只能将化学能转换为电能，简单说就即是不能重新储存电力，与蓄电池相对。

原电池是将化学能转变成电能的装置。所以，根据定义，普通的干电池、燃料电池都可以称为原电池。

组成原电池的基本条件1、将两种活泼性不同的金属(即一种是活泼金属一种是不活泼金属)，或着一种金属与石墨(Pt和石墨为惰性电极，即本身不会得失电子)等惰性电极插入电解质溶液中。

2、用导线连接后插入电解质溶液中，形成闭合回路。

3、要发生自发的氧化还原反应。

原电池工作原理原电池是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原电池的负极和正极上发生，从而在外电路中产生电流。2

原电池的电极的判断负极:电子流出的一极;发生氧化反应的一极;活泼性较强金属的一极。

正极:电子流入的一极;发生还原反应的一极;相对不活泼的金属或其它导体的一极。

在原电池中，外电路为电子导电，电解质溶液中为离子导电。

原电池的判定(1)先分析有无外接电路，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池;然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是"四看":

看电极--两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极);

看溶液--两极插入溶液中;

看回路--形成闭合回路或两极直接接触;

看本质--有无氧化还原反应。

(2)多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。3

原电池原理的腐蚀化学腐蚀与电化学腐蚀的比较如图。4

燃料电池燃料电池工作原理用一句简单的话来描述，我们可以这样说：燃料电池是把燃料和氧气的化学能转化为电能的装置，它象电池一样有正负极。一般的电池只能贮存电能，而它却能源源不断地发出电来。因此这一点燃料电池类似内燃发电机组，但它运行的温度要低得多，并且没有或很少有转动部件。

燃料电池系统的构成为了满足电机或其它电器用电量的需求，不仅仅是有了电池堆就够了。作为一个燃料电池系统必须要有许多其它部件，具备诸如：燃料供给、水量平衡控制、输出功率调整、温度压力等参数的测控等等功能。没有以上各部件，燃料电池不可能产生出可用的电能。

（1）纯氢或富氢燃料供给系统；

（2）富氢燃料重整系统；

（3）氢提纯系统；

（4）氢气储存系统；

（5）燃料电池堆；

（6）输出能量控制调整器；

（7）电能存储器；

（8）温度控制系统；

（9）内部测量控制系统。

燃料电池系统的优越性（1）燃料电池发电时不需要内燃机，这就意味着和一般的发电机组不一样，这种发电设备的噪音很低，振动很小，几乎没有大气污染或温室气体排放。

（2）低耗电设备如：手机、便携式电脑等，及无排放汽车所用的燃料电池，不象普通的电池那样需要比较长周期的充电时间。另外燃料电池的燃料可贮存在本体外的存贮器内，这样就可以根据使用的要求去调整存贮器大小来调节使用时间。

（3）燃料电池的使用可以减少传统发电机组、输电系统、配电系统的投资和运行费用，同时可以 减少发输配过程中的损耗。

（4）燃料电池发电的效率远高于传统的发电机，燃料机组的能量转换的效率是传统发电机组的2-4倍。5