燃料电池——定义、类型、优势、局限

研究电能和化学变化之间的联系是电化学的主题，电化学是一个化学分支学科。电化学反应是包括输入或产生电流的化学过程。燃料电池是一种电化学电池，它使用电化学过程从燃料中产生电能。为了保持发电过程的正常进行，这些电池需要持续供应燃料和氧化剂（通常是氧气）。因此，在燃料和氧气供应被切断之前，这些电池可以继续发电。

燃料电池虽然是在 1838 年构思的，但直到一个世纪后才进入商业用途，当时美国宇航局利用它们为太空舱和卫星提供动力。许多机构，包括企业、商业建筑和住宅建筑，现在都使用这些设备作为主要或次要的电力来源。

燃料电池

燃料电池是将燃料电池的化学能直接转化为电能的电池。氢 (H ₂ )、二氧化碳 (CO ₂ )、甲烷 (CH ₄ )、丙烷 (C ₃ H ₈ )、甲醇 (CH ₃ OH) 等燃料用于在如下所示的电池中产生电能.燃料电池不断地供应燃料，而产品则不断地排出。市场上有大量的燃料电池。最流行的类型是氢氧燃料电池。

阿波罗太空计划中使用的燃料电池

培根于 1959 年发明了氢氧燃料电池。因此，它也被称为培根电池。它是一种可能的电能来源，在美国的阿波罗太空计划中被用作主要的电能来源。

在碱性 H ₂ –O ₂燃料电池中，两个多孔碳电极浸渍有合适的催化剂，例如铂 (Pt)、银 (Ag)、氧化钴 (CoO) 等。电解质是氢氧化钾 (KOH) 或氢氧化钠 (NaOH) 的浓缩溶液，填充两个电极之间的间隙。多孔碳电极将氢气 (H ₂ ) 和氧气 (O ₂ ) 鼓泡到电解质中。

• 在阳极， 2H ₂ (g)+4OH ^– (aq) → 4H ₂ O (l)+4e ^–
• 在阴极， O ₂ (g)+2H ₂ O (l)+4e ^– → 4OH ^– (aq)
• 总反应， 2H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (l)

微生物燃料电池 (MFC) 是使用微生物催化生物过程以从有机或无机化学物质中发电的电池。它将能够实现 50% 的效率。变形杆菌、脱硫单胞菌、粪产碱菌、铜绿假单胞菌和其他微生物已被用于 MFC。

阳极室和阴极室由微生物燃料电池中的阳离子特异性膜状硝酸钾基膜隔开。微生物在阳极氧化燃料，产生二氧化碳、电子和质子。质子通过膜传递到阴极室，电子通过外部电路传递到阴极室。阴极室通过将氧气与电子和质子混合来产生水。

阳极反应： C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ +13H ₂ O→12CO ₂ +48H ⁺ +48e ^–

阴极反应： 4H ⁺ +O ₂ +4e ^– →2H ₂ O

燃料电池的类型

燃料电池有多种形式。

1. 聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池
2. 磷酸燃料电池
3. 固体酸燃料电池
4. 碱性燃料电池
5. 熔融碳酸盐燃料电池
6. 氢氧燃料电池
7. 微生物燃料电池 (MFC)
8. 固体氧化物燃料电池 (SOFC)
9. 锌空气燃料电池 (ZAFC)
10. 直接甲醇燃料电池 (DMFC)

聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池

1. 质子交换膜燃料电池是这些电池（或 PEMFC）的另一个名称。
2. 这些细胞在 50 摄氏度到 100 摄氏度的温度范围内函数。
3. PEMFC 中使用的电解质是一种可以传导质子的聚合物。
4. PEM 燃料电池由双极板、催化剂、电极和聚合物膜组成。
5. 尽管 PEMFC 在交通运输方面的应用对环境无害，但 PEMFC 也可用于固定和便携式发电。

磷酸燃料电池

1. 磷酸在这些燃料电池中用作电解质以引导 H ⁺ 。
2. 这些电池在 150-200 摄氏度的温度范围内运行。
3. 因为磷酸是不导电的，所以电子必须通过外部连接到达阴极。
4. 由于电解质是酸性的，这些电池的成分会随着时间的推移而腐蚀或氧化。

固体酸燃料电池

1. 这些燃料电池中的电解质是一种固体酸性物质。
2. 在低温下，这些固体酸的分子结构是有组织的。
3. 在较高温度下，可能会发生相移，从而导致电导率显着增加。
4. CsHSO ₄和CsH ₂ PO ₄是固体酸的两个例子（分别是硫酸氢铯和磷酸二氢铯）。

碱性燃料电池

1. 这是作为阿波罗太空计划主要动力来源的燃料电池。
2. 在这些电池中使用碱性水溶液使多孔基质饱和，然后将其用于分离电极。
3. 这些电池的工作温度相对较低。
4. 这些细胞非常有效。除了电力，它们还产生热量和水。

熔融碳酸盐燃料电池

1. 在这些电池中使用碳酸锂钾盐作为电解质。在高温下，这种盐变成液体，使碳酸根离子迁移。
2. 这些燃料电池与 SOFC 一样，具有 650 摄氏度的相对较高的工作温度。
3. 由于工作温度高和碳酸盐电解质的存在，这种电池的阳极和阴极容易腐蚀。
4. 这些电池可以使用天然气和沼气等碳基燃料。

固体氧化物燃料电池 (SOFC)

固体氧化物燃料电池采用坚硬的无孔陶瓷物质作为电解质，并在 500 到 1000 摄氏度之间的温度下运行。 SOFC 中使用固体氧化物电解质将负氧离子从阴极传输到阳极。 SOFC 的效率为 50-60%。

• 阳极： 1/2O ₂ +2e ^– →O
• 在阴极： H ₂ +1/2O→H ₂ O+2e ^–
• 整个电池反应： H ₂ +12O ₂ →H ₂ O

卫星和太空舱使用 SOFC 发电。它主要用于大型、高功率应用，例如工业发电厂。

锌空气燃料电池 (ZAFC)

锌空气燃料电池 (ZAFC) 是一种在美国创建的用于车辆的燃料电池。电解液为氢氧化钾等碱水溶液，电极反应如下：

• 阳极： Zn+2OH ^– →Zn(OH) ₂ +2e ^–
• 阴极： O ₂ +2H ₂ O+4e ^– →4OH ^–
• 总反应： 2Zn+O ₂ +2H ₂ O→4Zn(OH) ₂

它被用作车辆的替代燃料。

直接甲醇燃料电池 (DMFC)

在这个子类质子交换燃料电池中，甲醇被用作燃料。这种燃料电池的主要优点是可以轻松运输稳定的液体燃料甲醇。聚合物膜作为电解质，电极反应如下：

• 阳极： CH ₃ OH+H ₂ O→6H ⁺ +CO ₂ +6e ^–
• 阴极： 3/2O ₂ +6H ⁺ +6e ^– →3H ₂ O
• 净反应： CH ₃ OH+3/2O ₂ →CO ₂ +2H ₂ O

燃料电池的工作

燃料电池可以使用氢和氧之间的化学反应来产生能量。这种类型的电池用于阿波罗太空计划，有两个用途：作为燃料来源和饮用水供应（电池产生的水蒸气在冷凝后适合人类饮用）。

这种燃料电池的工作原理是通过碳电极将氢气和氧气转移到浓氢氧化钠溶液中。

• 阴极反应： O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^– → 4OH ^–
• 阳极反应： 2H ₂ + 4OH ^– → 4H ₂ O + 4e ^–
• 净细胞反应： 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

然而，这种电化学过程的响应速度很慢。催化剂，如铂或钯，用于解决这个问题。在插入电极之前，催化剂被精细分割以最大化有效表面积。

燃料电池的发电效率为 70%，而火力发电厂的效率为 40%。由于在火力发电厂中产生电流需要将水转化为蒸汽并使用该蒸汽来驱动涡轮机，因此效率存在显着差异。另一方面，燃料电池提供了将化学能直接转化为电能的平台。

燃料电池的设置

• 燃料电池的主要函数是产生能量，可用于为从单个灯泡到整个城市的任何事物供电。燃料电池的发电是基于电池内发生的基本化学反应。然后将电力返回到电池以完成电路。
• 在阳极，引入氢原子以启动化学过程。此时，化学过程会从氢原子中去除电子。氢原子现在带有正电荷。电缆携带剩余的带负电的电子，从而产生电流。在阴极，引入氧原子。它们与氢原子留下的电子结合。
• 氧原子与带负电的电子一起，要么在此时与带正电的氢离子结合，要么在通过阳极后结合，这取决于电池的种类。

燃料电池的优势

燃料电池是一种可能的电能来源，与原电池和其他通过燃烧燃料发电的传统技术相比，它们具有优势。以下是燃料电池的一些主要优点：

1. 高效率：燃料电池理论上比传统的电能生产技术更有效，例如燃烧氢气、甲烷、甲醇、碳燃料或核反应堆，因为它们将燃料的能量直接转化为电能。燃料电池理论上应该是 100% 的效率，但迄今为止只实现了 60-70% 的效率。涉及燃烧燃料的传统方法的效率仅为大约 40%。燃料电池的热力学效率，n=ΔG/ΔA×100，其中，ΔH是燃烧热，ΔG是做功。
2. 无污染工作：燃料电池产生的副产品不会污染环境。例如，氢氧燃料电池只产生水，因此不会造成污染。
3. 持续供应能量：只要将燃料供应到燃料电池中，它们就可以无限期地提供能量。与传统的电池或电池不同，这些电池不会随着时间的推移而经历电压或电流的下降。

燃料电池的局限性

1. 气体燃料很难处理。燃料气体（氢气、氧气等）必须以液体形式保存在特制的气缸中，并处于非常低的温度和高压下。这种上升是由于电池成本增加，这带来了许多实际问题。
2. 电极反应所需的催化剂，例如铂 (Pt)、钯 (Pd)、银 (Ag) 等，成本很高，并且会增加电池的成本。
3. 燃料电池中使用的电解质具有极强的腐蚀性，带来了许多实际问题。

示例问题

问题一：什么是燃料电池？

回答：

Fuel cells are cells that immediately convert a fuel cell’s chemical energy into electrical energy. In the cells depicted below, hydrogen (H₂), carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), propane (C₃H₈), methanol (CH₃OH), and other fuels are utilised to generate electrical energy. Fuel is continually delivered to the fuel cell, while products are continuously withdrawn. On the market, there are many different types of fuel cells. A hydrogen-oxygen fuel cell is the most common form.

问题2：燃料电池的种类有哪些？

回答：

 Few types of fuel cells are Hydrogen-Oxygen fuel cell, Microbial fuel cells (MFCs), Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs), Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC), Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), etc. 

问题 3：我们为什么需要燃料电池？

回答：

Fuel cells are in high demand since they are a cost-effective and ecologically beneficial source of power. Because they may be manufactured individually, they can be utilised for a variety of applications.

问题4：燃料电池的局限性是什么？

回答：

1. Gaseous fuel is difficult to work with. The fuel gas (hydrogen, oxygen, etc.) must be kept as a liquid at a very low temperature and high pressure in a specially designed cylinder. This increase is due to an increase in the cell’s price, which comes with a variety of drawbacks.
2. The electrode catalysts, such as platinum (Pt), palladium (Pd), silver (Ag), and others, are extremely expensive and add to the cell’s cost.
3. Fuel cell electrolytes are very caustic, which poses a variety of practical challenges.

问题5：什么是氢燃料电池？

回答：

The hydrogen fuel cell is a device that directly transforms the chemical energy of hydrogen and oxygen into electricity. Water is created as a by-product of this operation.