燃料電池背后的化學(xué)

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，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世以來，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。對于燃料電池來說，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，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)氫氣通過陽極進(jìn)入時(shí)，陽極處的電化學(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，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?，但有些還需要其他燃料。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，需要通過注入二氧化碳來補(bǔ)充）。MCFC 使用碳酸鹽作為電解質(zhì)。由于它們在較高溫度下運(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，使用前必須對燃料進(jìn)行凈化。

除了通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量外，產(chǎn)生的熱量還可以用來產(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)生對環(huán)境無害的水。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) 的高級科學(xué)傳播官，過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。

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

審核編輯黃宇