本课程是北京大学开设的一门在线大学化学基础课，主要面向具有大学水平的化学初学者。课程内容基本涵盖全部基础化学概念。
10-9 电池与燃料电池-电池概述、铅酸电池
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从本节课中
电化学
在化学中，电的现象与它在物理中同样重要。也可以说，化学与物理在电化学领域交汇在一起。目前，由于新能源（例如太阳能电池、光电转化、电致发光等）已经是最重要的科技前沿之一，因此电化学也广受重视。近年来，电化学领域取得了很多重要的进展。
教学方
Prof. Jiang Bian
Associate Professor
那么燃料电池， 那么燃料电池那么，阿。
阿，1843年阿，这个是Grove, 是Grove手套吧。
阿，套袖，哈哈手套。阿，W Grove 提出，阿，阿
实际上你知道这个思想1000，阿不是170年前就已经提出来了，哎，正好170周年哈。
完了提出氢氧反应发电，他就有这个想法，但是后来就迟迟没人用。
大家觉着，你觉着它也不靠谱，这个想法。
氧气还凑合，氢气打哪儿来阿。氢气通常是电解水得到的。
你氢气电解水得到，然后再去发电。你不瞎折腾么。
有那块功夫还不如弄，弄块铅酸电池玩玩，是吧，这个，显然是这个
阿，你，阿电解水你再发电那肯定是亏的。是吧。至少赚不着。
那么，所以说当年一直没人想，完直到，阿，突然人们发现他有个用途。
阿波罗计划。阿，宇宙探索。
宇宙探索这时候发现有用了。在宇宙里没电，你总要看书看报吧
总要看点事儿吧。阿，是吧。那么
学习，学习18大哈哈，文件之类的。那么所以，所以说你总要有电。有电呢那么，
太空中最多的东西就是火箭发动机燃料。
这个你，无论上面下面都需要这个燃料。那么氢氧恰好是燃料。
那你既然有燃料你就可以用这个燃料发电。那么上面那个思想到这儿就有用了。
尽管从成本上看来很不划算。但它是个可行的办法。
它是个可行的办法，而且氢氧化合物完了这东西还是有用的东西。 水嘛，宇航员可以喝嘛。是吧。
喝完了过滤，阿，阿排泄出来一过滤还可以接着喝么。
是吧。我记着美国那个那个那个什么，那个是不又是那什么大爆炸。 那个那叫什么大爆炸，那个电视剧。
生活大爆炸，生活大爆炸。那，不是，我印象是第五集还是第，那个那个人上天了么。
那上天了么。完了他们为了怎么说，贬低他上天的意义么。
就是说上天的人阿都要喝尿。 喝掉排泄物，喝掉自己的排泄物，那还算好的，因为你经常要喝别人的排泄物。
那才是不好的。完了边上那个那个谁，是，是，是那么什么，耳朵，谢耳朵
Sheldon，Sheldon就说最糟糕的是喝掉你的排泄物。
那对我来说简直是末日，那么，这个这个所以说，它就是这样
所以说也不要羡慕宇航员，哈哈，当你羡慕宇航员，他这个是必须要经历的阶段。
而且为了训练你在天上能忍受这点，在地面就开始练你这个了。 在地面你就每天喝这个。
你想想，你，你，你这个，这个，生活是多么难受阿，哈哈。那么那么
所以所以，你可以知道这个没办法，所以宇航，宇航员的受限制必定很多。
阿，这是阿波罗计划，然后还有一件事儿。是，阿，阿伊拉克战争。是沙漠风暴吧。
沙漠风暴行动，沙漠风暴行动那么是美国首次单兵使用GPS.
所有的进入沙漠的士兵，每个人背着一个GPS。 这样将军就不用阿，四处问
阿，张团长，李团长告诉我你在哪里。哈哈，你们到哪里了。
就是咱们上甘岭不是经常就这段话么。你们到哪里了。哈哈，这个这个这个不是GPS么。
GPS那么然后就有个直接问题。你知道沙漠里是没地儿充电的。
是吧，你不能，你不能背锂电池去，肯定是不行的。
那背南孚电池肯定也是不行的。你得背一箩筐一人。
你知道GPS是很耗电的。是吧。GPS，你要用过GPS你知道。
如果你要用碱性电池，GPS是用碱性电池。
大概你没爬到山顶呢这个就没电了。这就快没电了。
你下来肯定就快没电了。所以说一般带GPS必须要带备用电池。 你要，哪怕爬一座山，你要带备用电池。
那么以前出过很多事儿，都是，不是登山的人失踪了
还是有名的驴友办的。因为他们都带GPS了竟然还失踪了，为什么呢，
没电了。那么他也带备用电池了，备用电池掉水里了。
掉水里了。那么这个这个，所以总之是，这个这个 倒霉倒霉到一块了，这个这个，那不是好几次都是这，这种事儿。
所以你知道，这个阿，美国他怎么解决这个GPS，单兵使用GPS呢。
显然碱性电池不行，锂电池不行，他用的是燃料电池。
为什么呢，美国步兵全都是机械化步兵。有运兵车。 五六个人就有一辆车。
那么车呢是有空，空投下来的燃料。他们定点给你空投燃料。你就到那个定点去找你的燃料就行了。
那有燃料就有电，因为他的
GPS用的是燃料电池。 那么用汽油，就跟那汽车一样，他也喝汽油。
那么液体的燃料电池，只要解决这个问题单兵就解决了。
那么这样呢他，当然你从成本上是不划算的。比锂电池贵多了，但是它对打仗来说他不计成本么。
是吧。太空也是一样的，太空也是一样的。当然我知道后来那个三星，阿，阿，突发奇想。
做了甲醇燃料电池笔记本电脑。用于笔记本电脑。
甲醇的，完了那个，阿，阿，甲醇呢是从细菌发酵来的。环保阿。
环保。完了缺点是这个燃料电池挺大。
像饭盒那样，插在笔记本后面。那么那么，阿，阿，阿。
所以说你这个得分开拿，是吧，你一个踹不进去兜里，
得分开拿，分开拿那个就放在这里很像个饭盒，很像个饭盒，就是学生不成天背着饭盒么。是吧。
你们是不是，是不是背饭盒，阿，现在不背了，是吧。现在有食堂那种了。不用背了哈，我们当年都背着饭盒。
阿，还背着水壶背着饭盒。完了就跟就跟逃荒差不多，哈哈。每天就是都背着这些东西。
完了那么，当然后来说实话，这个三星的笔记本卖不出去。
大家都觉着那个那个饭盒很讨厌。而且放在宿舍里弄不好谁当板凳儿使。
弄不好谁当成饭盒儿放微波炉里更糟糕了。那么这个风险很大。
阿，虽然它得优点是你只要有地方充甲醇你就可以延续使用下去。
永远，它，应该叫叫什么呢，待机时间可以无限长你只要有甲醇，待机时间可以无限长。
阿，这个都没有问题，你要买一桶甲醇放在边上，你永远可以用下去。
你都不用插电源，这个没有问题。所以这是燃料电池，主要现在燃料电池瓶颈
瓶颈，阿，当然燃料电池，阿。 是个好电池，首先它是个清洁电池
通常燃烧产物，嗯，怎么说，它至少没什么可扔的。
是吧。他不用埋电池。不用挖个坑儿，像北京市政府成天埋电池。
北京市这么大个城市每天我估计南孚电池都得上万个，上万枚吧。
你，你，你得挖个大坑来埋。你想一年算下来，你们这些学生，哈，
有多少，多少南孚电池，这个这个，所以南孚电池对于北京的污染贡献了很大。
这个，哈哈，阿也许将来考古挖出来的都是聚能环。
哈哈，挖出的都是聚能环，北京市下面都是聚能环。
那么所以所以说，这是，阿，很大问题，但这个没有污染。 这是清洁的，特别是氢氧，只有水，只有水。
那么，当然它的缺点是什么呢，它成本比较高，比较贵。
尤其是什么呢，你想氢氧它要化合，在你不点燃不加热的情况下它要化合。
所以中间有个催化剂，这个催化剂很贵。 那你就买不起嘛。美国单兵人家有钱呢，单兵一人一个。
中国人只能一个旅派一个。哈哈，那么，这个这个这个，肯定是用不起
太贵了，太贵了，但是现在有很多替代办法，我知道中国人，有，有很多替代办法。
有高分子中空纤维。阿，可以代替催化剂来做。那么这样呢可以大幅度降低成本。
阿，只不过可能效率没那么好。那么这是，另外体积比较大。
体积比较大，你要是怎么说，机动化步兵当然这个无所谓，因为你有车嘛。
你就放车上就是了，但你要自己背着那也很沉，那也很沉。
那么电池反应很简单，就是氢氧化合。氢氧化合 然后再往下，我看看时间，阿，时间还是有，
那么这是，阿哈，这是燃料电池汽车的未来。
燃料电池汽车的未来，美国的，来自于美国的网站。
阿，美国燃料，研究燃料电池汽车已经超过30年了。超过30年
完直到几年前奥巴马第一次上台的时候背下马了。
那是几年前了，四年前吧，四年前，四年前奥巴马上台时候，阿，任命了一个能源部部长。
叫什么来着，不认识么， Steven Zhu，哈哈，朱蒂文，是吧。朱蒂文，阿
Steven ，你发现他人家英文名和中文名是，是，是，是连在一起的。
阿，是吧。那么，那么，阿，Steven Zhu，完了那么这里呢就是，
阿，他上任第一件事儿就把燃料电池汽车项目给下马了。
下马，Steven Zhu，完了那么，阿，下马了之后呢，阿，引起美国业界
阿，企业界的一片质疑之声。就是因为美国在这个领域是全球第一。
你放弃一个全球第一，当然肯定有人不干，特别是这个领域的，
企业肯定会不干，所以他后来接受国会质询。 接受国会质询，要回答国会议员的问题。
完了后来science 曾经报答，报导了这次质询的对话，阿，其中最有名的一句话是什么呢
他很理直气壮地反问国会议员， 反问国会议员，他说，你们认为这个技术
在将来5年，10年，还是20年可以付诸实用？他认为久很，
我认为久很，他说，因此我们必须
放弃，这就是无底洞，要扔钱的，
要扔钱的。那么所以说他认为这个技术不太可能付诸实用。
尽管你是世界第一，但这个领域是没有希望的世界第一。 因此他后面提到了什么呢？提到了新的方向，太阳能。
美国要攻占世界太阳能的至高点，掌握未来能源技术的
关键点，关键点。啊，至高点就是太阳能，那么所以美国大量投入太阳能。
那么开始完了，然后开始对中国
太阳能产品实施，叫反倾销调查， 遏制中国太阳能产业发展。
那么这个，它是一整套的，它是一整套的，连环。。。什么，连环拳呵，
那么一整套的。完了那么，啊，问题在哪里？这是其中一个问题。
燃料电池很好，很环保。 缺点，第一个：氢气打哪来？
氢打哪来？地球上没有氢，自然界没有氢。
氢，大多的氢来自于，要嘛化工反应的副产物，
要嘛是电解水。你想电解水产生氢完了再去发电这个是属于，
属于开玩笑。那么这个肯定会亏的。 那当然另外一个，前面有同学讲的论文，
光解水，光解水可以。但光解水现在没戏，
太慢了，你产生那几个气泡不足以解决一个产业问题。
那么这个效率不够。你得成吨，成吨，或则成百吨，成千吨的产生氢气，
才有意义。就那几个泡也就看看，那就希望。希望，这泡。
那么只是个希望而已。那么另外一个问题就是， 燃料电池汽车就意味着你这个燃料得有
充气站。汽车嘛，就跟加油站一个道理，你有加气的站。
就得有氢气，得有氢气。那么我们知道，加油站已经很占地了，
加气站必定比加油站还大，就占地还会更多。那肯定会一堆一堆的钢瓶嘛，
是吧？来了之后，给你，要嘛给你车上充气，要嘛把你钢瓶卸了，把这钢瓶装上去，
是吧？那将来你的车的总重量就会上升，因为你有钢瓶在里面。
完了另外还有个问题，锥尾问题。你车后面以后就不用贴小型锥尾了，
或者熊出没请注意什么的，呵，熊出没注意，呵。
完了以后贴着车尾有两钢瓶，谁敢撞？
撞上一起完蛋。那么这个两钢瓶，是吧，这个，所以北京有燃料电池公共汽车，
后面都贴个巨大的火的标志。 说车尾有燃料，有易燃，易爆气体。
你要撞进去你就完蛋了。 你就撞到火药库里面去了。那么所以说仍然有其他问题在里面。
那么这个燃料电池汽车另外有一个它占地，占比较大，占空间比较大，所以这是说
燃料电池汽车没有解决什么问题呢？Parking问题，停车问题。
那么车很小，车越做越小，也很环保，然后后面背了一个大气包，
这个，这个氢气包。那么就是，啊， 也就是燃料电池汽车在产业领域
美国认为，至少美国能源部认为是没有希望的。
那么，当时我记着，我看到Steven的发言之后，我再查中国资料，
中国资料仍然在宣传要往燃料电池汽车方面投资。
啊，显然国内的人消息传地没那么快。
完了，但是我看这几年也没人提这事，也没人提这事。
这时候朱棣文都也下台了，朱棣文已经换了，美国能源部长已经换了。
完了那么已经是奥巴马第二任了。那么这时候你会发现，有些事情我们要 多看看，看看别人怎么选择。
那么太阳能的确是，如果能解决好，的确能解决全球能源问题。
每年地球接收太阳能，大概只有，你把万分之一抠出来，
足以，全球能源消耗，全可以解决。如果能把它转成可用能源的话， 地球实际上没有能源危机。
如果你能把太阳能的万分之一，给弄下来，是地球实际上没有能源危机。只不过你没法利用，
你用得不够有效，这是另外一个问题。
那么这是关于燃料电池。然后是燃料电池的效率问题。
燃料电池的基本结构，你们中学可能也知道一点，是吧？
那么基本结构，那么这边是氢气入口， 这个槽，这个箭头，氢气入口，从这儿进来。氧气从这儿
进来。你会发现氢，氧实际上不见面，各自走各自的口。
然后中间有两个极板，这显然这是负极，这是正极。
这个负极和正极实际上是，氢气是可以渗透过来的，
氢气是有机会渗透过来的。那么在这个极板上实际上氢气会，啊，变成氢离子。
而电子在这个极板上和氢离子分开，分家了。电子跑上去了。
从外，走外线。氢离子渗透过来跟这个氧气合在一起，生成水。
因此你就知道整个的奥妙，是在这个极板和中间这层膜上。
它催化氢，电解成离子和电子。
电子和离子分开了。分开之后那么电子出去做功了，而这个生成水了。
那么氢氧实际上还可以再打回来，继续反应。因此整个过程应该是没有什么浪费。而这产物很单一，只有水。
环保，环保材料，环保产物。 那么然后这是燃料电池的做功效率一般
认为比火力发电高很多。 我们知道火力发电是什么呢？火力发电的过程是把化学能，一个燃料的化学能，
转换成热能。蒸汽嘛，
蒸汽。完了蒸汽机再去推动某个东西去做功。因此是经过两步，
化学能转换成热能，热能转换成功。热能转换成功实际上就是卡能热机，
是吧？卡能热机不是百分之百，前面那个也不是百分之百。所以两个不是百分之百一乘，只会更低。
那么而燃料电池做功呢，是直接把化学能转换成功，没经过卡能热机那一步。
显然少一步就意味着它效率更高。那么一般来说，啊，
啊，热机转换效率，就是火力发电，一般效率只有百分之30 左右。 而燃料电池效率通常在百分之60
以上， 甚至可以高达百分之80，甚至可以高达百分之80，
甚至更高，只要你做得好。啊，甚至可以更高。它是直接转换成功。
这样是最好的一个转换方式。如果你想把化学能利用的够高，
就可以通过设计燃料电池来实现。 啊，当然，控制成本是成中间的关键点。
这是燃料电池的效应。然后再往下呢是燃料电池如何工作，这实际上就是基本原理。当年的
学生给我的一个动画。啊，看了还是很清楚的。
氢进来在电极上，电离，电子来做功，完了氢离子过来跟氧化合生成水出去。
啊，这整个过程。完了这个中间这个极板上放的是催化剂。
中间这个膜呢叫质子交换膜，
或者叫离子交换树脂，离子交换树脂。啊，质子交换膜，这整个过程。
