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燃料電池背后的化學(xué)

呂珠峰 ? 來(lái)源:Liam Critchley ? 作者:Liam Critchley ? 2022-12-30 09:40 ? 次閱讀
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技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了新形式的儲(chǔ)能選擇的發(fā)展。可充電電池等儲(chǔ)能設(shè)備繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng),但燃料電池正在崛起。自第一個(gè)商業(yè)化的氫氧燃料電池問(wèn)世以來(lái),已經(jīng)將近一個(gè)世紀(jì)了。燃料電池能源效率1和功率密度的最新進(jìn)展,加上應(yīng)對(duì)氣候變化的努力和綠色能源發(fā)電的推動(dòng),使它們更具吸引力,尤其是那些使用綠色氫的燃料電池。這篇文章將探討燃料電池背后的化學(xué)原理,以及為支持廣泛應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的不同燃料電池變體。

介紹

燃料電池是一種類似于電池的能量產(chǎn)生技術(shù),但有一些根本區(qū)別。燃料電池和電池之間的主要區(qū)別之一是燃料電池需要持續(xù)的燃料源才能發(fā)揮作用。相反,電極之間已經(jīng)存在的離子的穿梭在電池中產(chǎn)生能量。如果提供連續(xù)的燃料源——最常見(jiàn)的選擇是氫氣和氧氣——燃料電池可以繼續(xù)產(chǎn)生能量。燃料電池提供持續(xù)電力的能力在某些應(yīng)用中可能是有利的——例如,作為備用電源2讓數(shù)據(jù)中心擺脫燃燒化石燃料的備用柴油發(fā)電機(jī),并作為農(nóng)村地區(qū)的替代電力來(lái)源(微電網(wǎng)),這不僅有電力,而且能夠顯著節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施成本。

燃料電池的工作原理

與標(biāo)準(zhǔn)電池設(shè)置一樣,燃料電池具有陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)(在電極之間),并依靠各種電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量。對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō),是在兩個(gè)電極上發(fā)生的反應(yīng)產(chǎn)生電能,盡管有許多不同類型的燃料電池,但最常見(jiàn)的工作機(jī)制涉及質(zhì)子(即帶正電的氫離子)在電極之間的移動(dòng)。兩個(gè)電極都含有催化劑,有助于促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)并將原料“燃料”分解成相應(yīng)的電離物質(zhì)。催化劑確實(shí)因燃料電池而異,但它需要是一種可以促進(jìn)氧和氫反應(yīng)的材料,因此常見(jiàn)的選擇包括鉑和鎳。

雖然氫是電池的基本燃料,但它們也需要氧氣,而這是大多數(shù)燃料電池工作需要持續(xù)供應(yīng)的兩種基本原料。由于電解質(zhì)將兩個(gè)電極隔開(kāi),因此存在兩個(gè)截然不同的電極-電解質(zhì)界面,這些是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域。

當(dāng)氫氣通過(guò)陽(yáng)極進(jìn)入時(shí),陽(yáng)極處的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)帶走它們的電子,從而產(chǎn)生帶正電的氫離子,即質(zhì)子。然后釋放的電子進(jìn)入外電路,產(chǎn)生電流,而氫離子則通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。電解質(zhì)充當(dāng)質(zhì)子交換膜 (PEM),只允許帶正電的離子通過(guò),排除任何被移除的電子,以便它們只進(jìn)入外部電路而不會(huì)試圖擴(kuò)散到另一個(gè)電極,因?yàn)檫@會(huì)阻止相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)。氧氣也被送入陰極,當(dāng)催化劑將分子氧分解成帶負(fù)電的氧離子時(shí),電子被噴射到外電路,與帶正電的氫離子以及陰極界面處的氧離子重新結(jié)合。結(jié)果是水作為最終產(chǎn)品產(chǎn)生,通過(guò)燃料電池的廢氣去除。

燃料電池的不同變體

這種基本的燃料電池機(jī)制被稱為“氫燃料電池”,是現(xiàn)有最常見(jiàn)的燃料電池類型。雖然這是默認(rèn)的燃料電池機(jī)制,但也有變化。大多數(shù)燃料電池的工作原理相似,都需要?dú)錃夂脱鯕庾鳛槿剂希行┻€需要其他燃料。所有燃料電池的主要區(qū)別在于用于將氫離子傳輸?shù)疥帢O的電解質(zhì)類型。

燃料電池的主要類型有:

堿性燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)

磷酸燃料電池 (PAFC)

固體氧化物燃料電池 (SOFC)

PEM燃料電池

與任何事物一樣,不同的變體都有它們的位置,有些僅適用于特定情況。

堿性燃料電池中的“堿”來(lái)自所用的電解質(zhì),即氫氧化鉀(一種堿性物質(zhì)),它是與其他類型燃料電池的唯一區(qū)別,而不是在低溫下運(yùn)行的燃料電池。另一方面,MCFC 在較高溫度下運(yùn)行,并且具有二氧化碳以及氧氣和氫氣的入口,因?yàn)殡娊赓|(zhì)中的碳酸根離子被耗盡,需要通過(guò)注入二氧化碳來(lái)補(bǔ)充)。MCFC 使用碳酸鹽作為電解質(zhì)。由于它們?cè)谳^高溫度下運(yùn)行,因此它們并不適合所有應(yīng)用,尤其是家庭使用,因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致泄漏。

另一種低溫燃料電池 PAFC 使用磷酸作為電解質(zhì)。然而,PAFC 是一個(gè)有趣的變體,因?yàn)閮?nèi)部工作原理可以容忍一氧化碳的形成,這意味著汽油可以用作燃料,盡管這不是綠色選擇。與其他電池不同,SOFC 和 PEM 燃料電池使用非液體電解質(zhì),SOFC 使用金屬氧化物陶瓷化合物(例如氧化鋯),PEM 燃料電池使用薄且可滲透的聚合物片。SOFC 在非常高的溫度下運(yùn)行,并且由于電解質(zhì)可能破裂而不是泄漏而再次限制使用。另一方面,PEM 燃料電池屬于極低溫燃料電池,但效率較低,使用前必須對(duì)燃料進(jìn)行凈化。

除了通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量外,產(chǎn)生的熱量還可以用來(lái)產(chǎn)生額外的電能,因此雖然一些溫度較高的燃料電池不太穩(wěn)定,但如果燃料和副產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量都可以產(chǎn)生更多的能量同時(shí)被利用。

結(jié)論

雖然有許多不同類型的燃料電池,但它們都通過(guò)類似的機(jī)制工作。所有燃料電池都需要?dú)錃夂脱鯕獠拍馨l(fā)揮作用,電極處的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)分解這些氣體以產(chǎn)生水,隨后在此過(guò)程中產(chǎn)生電能。因此,燃料電池的整體電化學(xué)反應(yīng)是:氫+氧=電+水蒸氣。

燃料電池是電池的替代技術(shù),被視為更環(huán)保的選擇,因?yàn)樗鼈冎划a(chǎn)生對(duì)環(huán)境無(wú)害的水。與許多商用電池相比,它們通常更難實(shí)施,但除了綠色環(huán)保之外,燃料電池的主要優(yōu)勢(shì)之一是只要同時(shí)供應(yīng)氫氣和氧氣,它們就會(huì)一直發(fā)電。

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一名作家、記者和傳播者,專門研究化學(xué)和納米技術(shù)以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學(xué)家和非科學(xué)家解釋復(fù)雜的科學(xué)主題。Liam 在與化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì) (NIA) 的高級(jí)科學(xué)傳播官,過(guò)去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會(huì)和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前,利亞姆完成了化學(xué)與納米技術(shù)和化學(xué)工程的碩士學(xué)位。

除了寫(xiě)作之外,利亞姆還是美國(guó)國(guó)家石墨烯協(xié)會(huì) (NGA)、全球組織納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問(wèn)委員會(huì)成員,以及英國(guó)科學(xué)慈善機(jī)構(gòu) GlamSci 的董事會(huì)成員。Liam 還是英國(guó)納米醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì) (BSNM) 和國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì) (IAAM) 的成員,以及多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的同行評(píng)審員。

審核編輯黃宇

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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