水鐵電池 燃料電池

水鐵電池

這是一種將熱能轉換為電能的化學電源。

水鐵電池原理如下圖。

圖1：水鐵電池示意圖

這是一個由兩個單獨發電的單體電池組成的電池組。圖1中，電池B處於發電狀態。電池A處於活性物質再生狀態。當電池B發電完成，電池A的活性物質再生完成後，電池A進入發電狀態，電池B進入活性物質再生狀態。這是一個水鐵電池發電周期，如此循環反複。一個周期為120秒~300秒
，以Fe
、Fe3O4相互轉化率達到80%以上。

氧極材料使用的是鐵電極（
？），活性物質是微米級的鐵粉。陰極是氧化活性電極（
？），活性物質是離子化水蒸氣。

陽極反應: 2Fe-6e→2Fe3+

Fe-2e→Fe2+

8H+-8e→4H2

2Fe3++Fe2+8(OH)- →Fe3O4+4H2O

陰極反應： H2O →（OH）-+H+

電池總反應：3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

由(you)於(yu)現(xian)在(zai)專(zhuan)業(ye)缺(que)少(shao)必(bi)需(xu)知(zhi)識(shi)和(he)參(can)考(kao)數(shu)據(ju)
，關(guan)於(yu)以(yi)上(shang)反(fan)應(ying)原(yuan)理(li)
，能(neng)否(fou)構(gou)成(cheng)電(dian)池(chi)，電(dian)化(hua)學(xue)分(fen)析(xi)等(deng)方(fang)麵(mian)的(de)學(xue)習(xi)記(ji)錄(lu)
，隻(zhi)能(neng)在(zai)後(hou)續(xu)的(de)讀(du)書(shu)筆(bi)記(ji)中(zhong)給(gei)出(chu)。就(jiu)目(mu)前(qian)所(suo)學(xue)內(nei)容(rong)來(lai)看(kan)這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)是(shi)客(ke)觀(guan)存(cun)在(zai)的(de)，實(shi)際(ji)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)還(hai)需(xu)要(yao)實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)。

在標準狀態下，摩爾反應焓變ΔH＝－151.2kJ/mol

，摩爾反應熵變ΔS＝－167.9J/(mol·K)。 Gibbs自由能變為ΔG ΔG＝ΔH－T×ΔS 當Gibbs自由能變小於0時，反應是自發的，當吉布斯自由能變等於0時，反應達到化學平衡。 若令ΔG＜0，即ΔH－T×ΔS＜0， ΔH＜T×ΔS T＜ΔH/ΔS時，反應自發進行（因為ΔS定性分析，不考慮反應時水蒸氣和氫氣的分壓改變，熱力學逆轉溫度為[－151200J/mol]/[－167.9J/(mol·K)]=900.5K，所以溫度小於900.5K時，正反應為自發的，鐵和水轉化為四氧化三鐵和氫氣，而溫度高於900.5K時，逆反應是自發的。溫度等於900.5K時

，是平衡狀態

水鐵電池理論能量計算

（在標準狀態下
，不考慮氣壓等生成物的物理狀態變化影響）。

鐵原子量：56 。水原子量：18 。

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2 ΔH＝－151.2kJ/mol

3x56+4x18=240. 對應能量為150Kj/mol.換算為電能150kj/3600=0.041Kw·H。1Kg活性物質理論能量為0.17 Kw·H。假定1kg活性物質能在5分鍾內反應完成，每小時電池進行10次循環。則比功率=1.7Kw/Kg。

由以上計算，並參考其他電池工藝。假定實際水鐵電池的比功率能達到理論比功率的1/10,也就是0.17Kw/Kg。則有1.2噸可以產生204Kw的可持續功率電源

采用另外一種計算方法。1000kg水鐵完全反應。產生的能量為150(kj/mol) x 1000(kg)x 1000/240=625000kj.這些能量有十分之一轉化為電能62500kj。在5x60s內釋放。則功率為62500/300=208KW. 也就是說一噸的水鐵電池 功率為208KW。這樣的電源非常有希望成為空間飛行電源

以水鐵電池演變出來的一種新型燃料電池

，氫氧燃料電池具備多種優點而被廣泛研究，雖然組合效率達到最高已達到80%,可(ke)是(shi)仍(reng)然(ran)不(bu)能(neng)成(cheng)為(wei)主(zhu)要(yao)的(de)電(dian)源(yuan)之(zhi)一(yi)，阻(zu)礙(ai)氫(qing)氧(yang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)首(shou)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)成(cheng)本(ben)過(guo)高(gao)
，組(zu)合(he)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)不(bu)高(gao)。氧(yang)鐵(tie)電(dian)池(chi)側(ce)能(neng)有(you)望(wang)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)化(hua)學(xue)電(dian)源(yuan)，氧(yang)鐵(tie)電(dian)池(chi)甚(shen)至(zhi)會(hui)成(cheng)為(wei)地(di)麵(mian)太(tai)陽(yang)能(neng)、核能和地熱發電的一種主要方式。下麵對這種發電方式進行描述。

在這裏不對氧鐵電池原理及工藝做任何說明。氧鐵電池在20世紀60年代已經完成了理論和電池工藝各方麵的論證。在2013年有相關的技術報道。隻是還沒有進入實際商業運行階段。

假定有一個2000℃熱源以穩定功率400Kw的功率輸送能量，能量輸送給熱化學分解水的裝置（根據相關統計不少於300化學方法可實現此轉變）。分步產生的氫在1000℃，氧溫度在1200℃。利(li)用(yong)氧(yang)鐵(tie)電(dian)池(chi)功(gong)能(neng)，將(jiang)氫(qing)氧(yang)電(dian)池(chi)轉(zhuan)化(hua)為(wei)氧(yang)鐵(tie)電(dian)池(chi)。實(shi)現(xian)了(le)成(cheng)本(ben)上(shang)的(de)降(jiang)低(di)和(he)物(wu)質(zhi)循(xun)環(huan)利(li)用(yong)。更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，以(yi)這(zhe)種(zhong)發(fa)電(dian)方(fang)式(shi)發(fa)電(dian)的(de)裝(zhuang)置(zhi)
，可(ke)以(yi)做(zuo)成(cheng)一(yi)個(ge)200Kw的集裝箱發電站，因其擁有更小的功率體積比，功率質量比。

下麵從熱學及能量轉換角度來說明這樣的發電方式的效率。

假定一個40尺，質量為25噸標準集裝箱的氧鐵電池發電站。其核能發熱功率為400Kw。可持續穩定發電功率為200Kw。其熱電轉換效率約為50%。剩餘的50%熱能以其他方式散熱
，損耗掉。這樣的發電裝置是否有可能實現？