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利用燃料电池去除水中溶解氧并进行发电(2)

摘   要:鱼类通过消耗溶解的氧气而在水中生存,尽管氧气的含量仅为8ppm。本文将对燃料电池在水中运行以产生足够电能的可能性进行介绍。由各实验得出的结果是肯定的,并且燃料电池在水中运行时实际产生的电能与在空气中运行时相当。此外,已证明燃料电池可以去除空气和水中的氧气。也就是说,燃料电池可以用作脱氧设备以保护新鲜的食物、饮料和药物免于腐烂和氧化。

关键字:水中溶解氧、燃料电池、发电、除氧、脱氧装置

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4、利用燃料电池除氧

脱氧(Deoxidation,Removal of oxygen)不仅是长期保存生鲜食品和腌制食品等所必须的,还可以在防止水管和锅炉等的腐蚀和发霉的基础上延长其寿命,以降低维护成本。另外,脱氧对于锂离子电池、半导体器件、化工产品的制造过程和保管等也是不可或缺的。并且,在先进的真空装置等中,必须除去少量的吸附氧。以上脱氧技术都需要使用大型装置并且操作成本高。即使食品包装通过氮气吹扫或抽真空脱氧,氧气也会由于泄漏或渗透进入包装,因此始终保持脱氧状态也是很重要的。本文将燃料电池消耗氧气的功能应用于脱氧领域,并考虑了其优点和问题。

除图1所示的人工鳃之外,图9还示出本次使用的脱氧容器和结构。(f)是空容器,(g)是密闭容器,其中装有含有溶解氧的液体,并通过鼓泡将氧气排出。脱氧对象除水以外,还包括酒精、食用油和酱油等,本次使用溶解氧溶液。如果将密闭容器的气体持续循环到燃料电池的氧电极,氧气被消耗,其浓度随时间降低。

图9:密闭容器的脱氧

4.1 电池电流和消耗氧气量

在燃料电池中,当负荷电阻无限大(即i=0)时,不消耗氧气和燃料。换言之,当燃料供给速度和催化反应速度足够大时,所消耗的氧气量取决于负载电阻。更重要的是,当负载电阻足够小时,电流的大小取决于供氧量。

图10示出当对图9(f)的空容器(容积V0=3.2mL)进行脱氧时的电流(i),电池电压(Ecell)和输出功率(P)的时间依赖性。此时的负载电阻使用用于测量电流的11Ω分流电阻。另外,电池的催化剂面积为1.0cm2,为了根据电流值计算脱氧量,记录了实测的电流值。电流在开始放电后下降,约13分钟后几乎达到平衡状态(约2mA)。这种电流下降的状态直接反映了容器内氧气浓度的下降。

图10:在图9(f)的密闭容器中进行气体循环过程中的电池参数的时间依赖性

在图1所示的氧电极的反应中,一个氧分子O2被四个电子还原,因此当电流(i)流过时,如式(1)所示每秒消耗j个氧。其中,e是基本电荷(=1.6×10-19C)。

利用气体的摩尔体积Vm(=22.4L/mol,0℃,1atm),通过式(1)和式(2)求出每秒流过的氧气体积(v)。

其中,NA(=6.02x1023mol-1)是阿伏伽德罗常数,eNA是法拉第常数(F=9.65×104sA/mol)。通过对在一定时间内流过的电流进行积分获得电荷量q=∫idt,以通过式(3)求出该时间段内消耗的氧气体积(V)。

在这里,先求出Vm/4F=0.058Ml/C比较方便。

通过对图10所示的t=0~15分钟之间的电

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