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。

介紹

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?，所以被稱為燃料電池。

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。

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)。

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。

一般來(lái)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，在酸溶液中負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-==4H+?正極反應(yīng)式為：O2?+?4H+?+4eˉ==?2H2O;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。

若電解質(zhì)溶液是堿、鹽溶液則負(fù)極反應(yīng)式為：2H2?+?4OHˉ-4eˉ==?4H20?正極為：O2?+?2H2O?+?4eˉ==?4OHˉ

若電解質(zhì)溶液是酸溶液則負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4eˉ=4H+（陽(yáng)離子），正極為：O2+4eˉ+4H+=2H2O

記憶規(guī)律如下：

堿性條件下，容易記住正極的O2、H2O、eˉ、OHˉ前面的系數(shù)分別為1、2、4、4，再用總反應(yīng)方程式減去上式即可。酸性條件下，易記住負(fù)極反應(yīng)式（4H+）+（-4eˉ）=2H2，通過(guò)移項(xiàng)可以得到所需要的方程式，同樣用總反應(yīng)式減上式得到正極反應(yīng)式。

工作原理

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。

氫氧燃料電池的反應(yīng)物都在電池外部提供，它只是提供一個(gè)反應(yīng)的容器2H2+O2==2H2O。

電池組組成

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）。

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(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。

③排熱分系統(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。

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。

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(yáng)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(guò)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)。

優(yōu)點(diǎn)

1.清潔環(huán)保，產(chǎn)物是水;

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。

應(yīng)用

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

再生式

將電池反應(yīng)產(chǎn)物（水）通過(guò)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。可以作為大功率太陽(yáng)電池陣電源系統(tǒng)的貯能裝置。有日照時(shí)，太陽(yáng)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(lái)。航天器進(jìn)入陰影區(qū)太陽(yáng)電池不能發(fā)電或供電不足時(shí)，由這種燃料電池供電。