氫氧燃料電池

2014年6月13日，中國航天八院811所研製出靜態排水燃料電池模塊，該模塊成功實現高電流密度的長時間穩定放電，在國內首次實現連續8小時無氣體排放。

燃料電池是一種化學電池，它利用物質發生化學反應時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如鋅錳乾電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時需要連續地向其供給反應物質——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。由於它是把燃料通過化學反應釋出的能量變為電能輸出，所以被稱為燃料電池。

具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。最初，電解質板是利用電解質滲入多孔的板而形成，2013年正發展為直接使用固體的電解質。

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。當氫離子進入電解液中，而電子就沿外部電路移向正極。用電的負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正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。此過程水可以得到重複利用，發電原理與可夜間使用的太陽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，具有很強的催化活性，如鉑電極、活性碳電極等。

利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種"發電機"。

一般來講，書寫燃料電池的化學反應方程式，需要高度注意電解質的酸鹼性。在正、負極上發生的電極反應不是孤立的，它往往與電解質溶液緊密聯繫。如氫—氧燃料電池有酸式和鹼式兩種，在酸溶液中負極反應式為：2H2-4e-==4H+正極反應式為：O2+4H++4eˉ==2H2O;如是在鹼溶液中，則不可能有H+出現，在酸溶液中，也不可能出現OHˉ。

若電解質溶液是鹼、鹽溶液則負極反應式為：2H2+4OHˉ-4eˉ==4H20正極為：O2+2H2O+4eˉ==4OHˉ

若電解質溶液是酸溶液則負極反應式為：2H2-4eˉ=4H+（陽離子），正極為：O2+4eˉ+4H+=2H2O

記憶規律如下：

鹼性條件下，容易記住正極的O2、H2O、eˉ、OHˉ前面的係數分別為1、2、4、4，再用總反應方程式減去上式即可。酸性條件下，易記住負極反應式（4H+）+（-4eˉ）=2H2，通過移項可以得到所需要的方程式，同樣用總反應式減上式得到正極反應式。

氫氧燃料電池hydrogenoxygenfuelcell

以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉變為電能的電池。

氫氧燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水。這時在氫電極上有多餘的電子而帶負電，在氧電極上由於缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似於燃燒的反應過程就能連續進行。

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（氧氣）。氫在負極上的催化劑的作用下分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負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正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。

氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內的裝置

氫氧燃料電池的反應物都在電池外部它只是提供一個反應的容器2H2+O2==2H2O

氫氣和氧氣都可以由電池外提供

為維持電池的正常運轉，須持續供應氫和氧，及時排除反應產物（水）和廢熱。電池組由以下幾部分組成：①氫氧供給分系統：航天器攜帶的氫和氧採用超臨界液態貯存，可縮小貯罐體積，解決失重條件下氣、液態的分離問題，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：主要有動態排水和靜態排水兩種方式。前者把帶有水蒸氣的氫氣循環輸送到冷卻裝置，使水蒸氣冷凝成水進行分離；後者依靠多孔纖維編織材料（如燈芯）將冷凝后的水吸附出來，又稱燈芯排水。電池組排出的水經凈化后可供航天員飲用或作冷卻劑。③排熱分系統：電池組通過冷卻劑（如乙二醇水溶液）循環，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範圍。④自動控制分系統：包括電池組工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環等的控制與調節。所測量的參數傳送到航天員座艙的顯示器或由遙測設備發回地面。當電池組出現故障時，自動切換到備份電池組供電。

氫氧燃料電池按電池結構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：用陽離子交換膜作電解質的酸性燃料電池，現代採用全氟磺酸膜。電池放電時，在氧電極處生成水，通過燈芯將水吸出。這種電池在常溫下工作、結構緊湊、重量輕，但離子交換膜內阻較大，放電電流密度小。

②培根型燃料電池：屬鹼性電池。氫、氧電極都是雙層多孔鎳電極(內外層孔徑不同)，加鉑作催化劑。電解質為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，起動和停機需較長的時間（起動需24小時，停機17小時）。

③石棉膜燃料電池：也屬鹼性電池。氫電極由多孔鎳片加鉑、鈀催化劑製成，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，構成氣室，封裝成單體電池。放電時在氫電極一邊生成水，可以用循環氫的辦法排出，亦可用靜態排水法。這種電池的起動時間僅15分鐘，並可瞬時停機。

氫氧燃料電池的優點

1.清潔環保，產物是水;

2.容易持續通氫氣和氧氣,產生持續電流;

3.能量轉換率較高，超過80%(普通燃燒能量轉換率30%多);

4.可以組合為燃料電池發電站，排放廢棄物少，噪音低，綠色發電站。

氫氧燃料電池的應用

作為極具發展前途的新動力電源，氫氧燃料電池的應用領域是多方面的：

1、大型電站發電

2、便攜移動電源

3、應急電源

4、家庭電源

5、飛機、汽車、軍艦

將電池反應產物（水）通過電解器轉變成反應物（氫和氧），再重複使用以產生電能的燃料電池，由燃料電池和電解器兩部分組成。可以作為大功率太陽電池陣電源系統的貯能裝置。有日照時，太陽電池陣提供電能給航天器負載，還用於將水電解成氫和氧，使部分電能貯存起來。航天器進入陰影區太陽電池不能發電或供電不足時，由這種燃料電池供電。