水铁电池 燃料电池

水铁电池

这是一种将热能转换为电能的化学电源。

水铁电池原理如下图。

图1：水铁电池示意图

这是一个由两个单独发电的单体电池组成的电池组。图1中，电池B处于发电状态。电池A处于活性物质再生状态。当电池B发电完成，电池A的活性物质再生完成后，电池A进入发电状态，电池B进入活性物质再生状态。这是一个水铁电池发电周期，如此循环反复。一个周期为120秒~300秒，以Fe、Fe3O4相互转化率达到80%以上。

氧极材料使用的是铁电极（？），活性物质是微米级的铁粉。阴极是氧化活性电极（？），活性物质是离子化水蒸气。

阳极反应: 2Fe-6e→2Fe3+

Fe-2e→Fe2+

8H+-8e→4H2

2Fe3++Fe2+8(OH)- →Fe3O4+4H2O

阴极反应： H2O →（OH）-+H+

电池总反应：3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

由于现在专业缺少必需知识和参考数据，关于以上反应原理，能否构成电池，电化学分析等方面的学习记录，只能在后续的读书笔记中给出。就目前所学内容来看这种电池是客观存在的，实际发电效率还需要实验验证。

在标准状态下，摩尔反应焓变ΔH＝－151.2kJ/mol，摩尔反应熵变ΔS＝－167.9J/(mol·K)。 Gibbs自由能变为ΔG ΔG＝ΔH－T×ΔS 当Gibbs自由能变小于0时，反应是自发的，当吉布斯自由能变等于0时，反应达到化学平衡。 若令ΔG＜0，即ΔH－T×ΔS＜0， ΔH＜T×ΔS T＜ΔH/ΔS时，反应自发进行（因为ΔS定性分析，不考虑反应时水蒸气和氢气的分压改变，热力学逆转温度为[－151200J/mol]/[－167.9J/(mol·K)]=900.5K，所以温度小于900.5K时，正反应为自发的，铁和水转化为四氧化三铁和氢气，而温度高于900.5K时，逆反应是自发的。温度等于900.5K时，是平衡状态

水铁电池理论能量计算

（在标准状态下，不考虑气压等生成物的物理状态变化影响）。

铁原子量：56 。水原子量：18 。

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2 ΔH＝－151.2kJ/mol

3x56+4x18=240. 对应能量为150Kj/mol.换算为电能150kj/3600=0.041Kw·H。1Kg活性物质理论能量为0.17 Kw·H。假定1kg活性物质能在5分钟内反应完成，每小时电池进行10次循环。则比功率=1.7Kw/Kg。

由以上计算，并参考其他电池工艺。假定实际水铁电池的比功率能达到理论比功率的1/10,也就是0.17Kw/Kg。则有1.2吨可以产生204Kw的可持续功率电源

采用另外一种计算方法。1000kg水铁完全反应。产生的能量为150(kj/mol) x 1000(kg)x 1000/240=625000kj.这些能量有十分之一转化为电能62500kj。在5x60s内释放。则功率为62500/300=208KW. 也就是说一吨的水铁电池 功率为208KW。这样的电源非常有希望成为空间飞行电源

以水铁电池演变出来的一种新型燃料电池，氢氧燃料电池具备多种优点而被广泛研究，虽然组合效率达到最高已达到80%,可是仍然不能成为主要的电源之一，阻碍氢氧燃料电池广泛应用的首要原因是成本过高，组合利用效率不高。氧铁电池侧能有望成为一种广泛应用的化学电源，氧铁电池甚至会成为地面太阳能、核能和地热发电的一种主要方式。下面对这种发电方式进行描述。

在这里不对氧铁电池原理及工艺做任何说明。氧铁电池在20世纪60年代已经完成了理论和电池工艺各方面的论证。在2013年有相关的技术报道。只是还没有进入实际商业运行阶段。

假定有一个2000℃热源以稳定功率400Kw的功率输送能量，能量输送给热化学分解水的装置（根据相关统计不少于300化学方法可实现此转变）。分步产生的氢在1000℃，氧温度在1200℃。利用氧铁电池功能，将氢氧电池转化为氧铁电池。实现了成本上的降低和物质循环利用。更为重要的是，以这种发电方式发电的装置，可以做成一个200Kw的集装箱发电站，因其拥有更小的功率体积比，功率质量比。

下面从热学及能量转换角度来说明这样的发电方式的效率。

假定一个40尺，质量为25吨标准集装箱的氧铁电池发电站。其核能发热功率为400Kw。可持续稳定发电功率为200Kw。其热电转换效率约为50%。剩余的50%热能以其他方式散热，损耗掉。这样的发电装置是否有可能实现？