氫氧燃料電池詳解
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。
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(guò)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(wèn)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）。
?、谂潘窒到y(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(lái)，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。
?、叟艧岱窒到y(tǒng)：電池組通過(guò)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。
?、茏詣?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。
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(guò)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。
氫氧燃料電池以氫氣作燃料為還原劑，氧氣作氧化劑，通過(guò)燃料的燃燒反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵?，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)，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(guò)程。此過(guò)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(yáng)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。
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
氫氧燃料電池總反應(yīng)式
若電解質(zhì)為酸溶液 負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-==4H+
正極反應(yīng)式為：O2 + 4H+ +4eˉ== 2H2O;
若電解質(zhì)溶液是堿溶液 負(fù)極反應(yīng)式為：2H2 + 4OHˉ-4eˉ== 4H20
正極為：O2 + 2H2O + 4eˉ== 4OHˉ
這么寫的原因就是
如是在堿溶液中，則不可能有H+出現(xiàn)，在酸溶液中，也不可能出現(xiàn)OHˉ
總反應(yīng)式都是：2H2+O2=2H2O