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氫氧燃料電池

燃料電池是很有發(fā)展前途的新的動(dòng)力電源,一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料,作為負(fù)極,用空氣中的氧作為正極.和一般電池的主要區(qū)別在于一般電池的活性物質(zhì)是預(yù)先放在電池內(nèi)部的,因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的量;而燃料電池的活性物質(zhì)(燃料和氧化劑)是在反應(yīng)的同時(shí)源源不斷地輸入的,因此,這類電池實(shí)際上只是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。這類電池具有轉(zhuǎn)換效率高、容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等優(yōu)點(diǎn),但由于成本高,系統(tǒng)比較復(fù)雜,僅限于一些特殊用途,如飛船、潛艇、軍事、電視中轉(zhuǎn)站、燈塔和浮標(biāo)等方面。

 背景

 

燃料電池是將燃料和電解質(zhì)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置,也是繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電裝置,是當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視的高新技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。

工作原理

 

氫氧燃料電池以氫氣作燃料為還原劑,氧氣作氧化劑,通過燃料的燃燒反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?span id="plnuaiq" class='hrefStyle'>電池,與原電池的工作原理相同。

氫氧燃料電池工作時(shí),向氫電極供應(yīng)氫氣,同時(shí)向氧電極供應(yīng)氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下,通過電解質(zhì)生成水。這時(shí)在氫電極上有多余的電子而帶負(fù)電,在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后,這一類似于燃燒的反應(yīng)過程就能連續(xù)進(jìn)行。

工作時(shí)向負(fù)極供給燃料(氫),向正極供給氧化劑(氧氣)。氫在負(fù)極上的催化劑的作用下分解成正離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解液中,而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上,氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。

氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部?jī)?chǔ)藏在電池內(nèi)的裝置。

氫氧燃料電池的反應(yīng)物都在電池外部它只是提供一個(gè)反應(yīng)的容器

氫氣和氧氣都可以由電池外提供。

燃料電池是一種化學(xué)電池,它利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量,直接將其變換為電能。從這一點(diǎn)看,它和其他化學(xué)電池如鋅錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是,它工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給反應(yīng)物質(zhì)——燃料和氧化劑,這又和其他普通化學(xué)電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為燃料電池。

具體地說,燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的"發(fā)電機(jī)"。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。最初,電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成,2013年正發(fā)展為直接使用固體的電解質(zhì)。

工作時(shí)向負(fù)極供給燃料(氫),向正極供給氧化劑(空氣,起作用的成分為氧氣)。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-。當(dāng)氫離子進(jìn)入電解液中,而電子就沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上,空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。此過程水可以得到重復(fù)利用,發(fā)電原理與可夜間使用的太陽能電池有異曲同工之妙。

燃料電池的電極材料一般為惰性電極,具有很強(qiáng)的催化活性,如鉑電極、活性碳電極等。

利用這個(gè)原理,燃料電池便可在工作時(shí)源源不斷地向外部輸電,所以也可稱它為一種"發(fā)電機(jī)"。

一般來講,書寫燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式,需要高度注意電解質(zhì)的酸堿性。在正、負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)不是孤立的,它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系。如氫—氧燃料電池有酸式和堿式兩種:

若電解質(zhì)溶液是堿、鹽溶液則

負(fù)極反應(yīng)式為:

正極反應(yīng)式為:

若電解質(zhì)溶液是酸溶液則

負(fù)極反應(yīng)式為:

正極反應(yīng)式為:

總反應(yīng)方程式為:

在堿溶液中,OHˉ含量極高,故負(fù)極處生成的H+會(huì)直接與OHˉ結(jié)合生成水,而正極處生成的OHˉ由于缺少H+結(jié)合而以離子的形態(tài)存在。酸性溶液則正好相反。

組成結(jié)構(gòu)

 

以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池。氫氧從外部通過管道輸入電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并輸出電能。氫氧燃料電池的理論比能量達(dá)3600瓦·時(shí)/公斤。單體電池的工作電壓一般為0.8~0.97伏,為了滿足負(fù)載所需的工作電壓,往往由幾十個(gè)單體電池串聯(lián)成電池組。

為維持電池的正常運(yùn)轉(zhuǎn),須持續(xù)供應(yīng)氫和氧,及時(shí)排除反應(yīng)產(chǎn)物(水)和廢熱。電池組由以下幾部分組成:①氫氧供給分系統(tǒng):航天器攜帶的氫和氧采用超臨界液態(tài)貯存,可縮小貯罐體積,解決失重條件下氣、液態(tài)的分離問題,但要求貯罐絕熱性能好、耐低溫、耐高壓(氧罐為6兆帕、氫罐為3~3.5兆帕)。②排水分系統(tǒng):主要有動(dòng)態(tài)排水和靜態(tài)排水兩種方式。前者把帶有水蒸氣的氫氣循環(huán)輸送到冷卻裝置,使水蒸氣冷凝成水進(jìn)行分離;后者依靠多孔纖維編織材料(如燈芯)將冷凝后的水吸附出來,又稱燈芯排水。電池組排出的水經(jīng)凈化后可供航天員飲用或作冷卻劑。③排熱分系統(tǒng):電池組通過冷卻劑(如乙二醇水溶液)循環(huán),將廢熱帶到輻射器向外排放,以維持電池組正常工作的溫度范圍。④自動(dòng)控制分系統(tǒng):包括電池組工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環(huán)等的控制與調(diào)節(jié)。所測(cè)量的參數(shù)傳送到航天員座艙的顯示器或由遙測(cè)設(shè)備發(fā)回地面。當(dāng)電池組出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換到備份電池組供電。

電池分類

 

氫氧燃料電池按電池結(jié)構(gòu)和工作方式分為離子膜、培根型和石棉膜三類。

①離子膜氫氧燃料電池:用陽離子交換膜作電解質(zhì)的酸性燃料電池,現(xiàn)代采用全氟磺酸膜。電池放電時(shí),在氧電極處生成水,通過燈芯將水吸出。這種電池在常溫下工作、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,但離子交換膜內(nèi)阻較大,放電電流密度小。

②培根型燃料電池:屬堿性電池。氫、氧電極都是雙層多孔鎳電極(內(nèi)外層孔徑不同),加鉑作催化劑。電解質(zhì)為80%~85%的苛性鉀溶液,室溫下是固體,在電池工作溫度(204~260°C)下為液體。這種電池能量利用率較高,但自耗電大,起動(dòng)和停機(jī)需較長(zhǎng)的時(shí)間(起動(dòng)需24小時(shí),停機(jī)17小時(shí))。

③石棉膜燃料電池:也屬堿性電池。氫電極由多孔鎳片加鉑、鈀催化劑制成,氧電極是多孔銀極片,兩電極夾有含35%苛性鉀溶液的石棉膜,再以有槽鎳片緊壓在兩極板上作為集流器,構(gòu)成氣室,封裝成單體電池。放電時(shí)在氫電極一邊生成水,可以用循環(huán)氫的辦法排出,亦可用靜態(tài)排水法。這種電池的起動(dòng)時(shí)間僅15分鐘,并可瞬時(shí)停機(jī)。

主要特點(diǎn)

 

1.產(chǎn)物是水,清潔環(huán)保;

2.容易持續(xù)通氫氣和氧氣,產(chǎn)生持續(xù)電流;

3.能量轉(zhuǎn)換率較高,超過80%(普通燃燒能量轉(zhuǎn)換率30%多);

4.可以組合為燃料電池發(fā)電站,排放廢棄物少,噪音低,綠色發(fā)電站。[2]

應(yīng)用領(lǐng)域

 

作為極具發(fā)展前途的新動(dòng)力電源,氫氧燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域是多方面的:

1、大型電站發(fā)電

2、便攜移動(dòng)電源

3、應(yīng)急電源

4、家庭電源

5、飛機(jī)、汽車、軍艦

研發(fā)設(shè)備

 

再生式

將電池反應(yīng)產(chǎn)物(水)通過電解器轉(zhuǎn)變成反應(yīng)物(氫和氧),再重復(fù)使用以產(chǎn)生電能的燃料電池,由燃料電池和電解器兩部分組成??梢宰鳛榇蠊β?span id="wyzxydb" class='hrefStyle'>太陽電池陣電源系統(tǒng)的貯能裝置。有日照時(shí),太陽電池陣提供電能給航天器負(fù)載,還用于將水電解成氫和氧,使部分電能貯存起來。航天器進(jìn)入陰影區(qū)太陽電池不能發(fā)電或供電不足時(shí),由這種燃料電池供電。氫氧燃料電池是不需要將還原劑和氧化劑全部?jī)?chǔ)藏在電池內(nèi)的裝置。

靜態(tài)排水

2014年6月13日,中國(guó)航天八院811所研制出靜態(tài)排水燃料電池模塊,該模塊成功實(shí)現(xiàn)高電流密度的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定放電,在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)8小時(shí)無氣體排放。

 


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