化学论文——氢氧燃料电池及其在汽车领域的应用.pdf

琳琅满目的化学电源

——氢氧燃料电池

hydrogenoxygenfuelcell

氢氧电池是一种以氢、氧作为燃料的，将氢氧反应的化学能转化为电能的燃料电池，
它可以在较低的工作温度下把氢氧反应在电池中释放的化学能直接且连续的变为电能。氢
氧电池的燃料氢是燃料电池的最佳燃料。同时氢氧电池是技术上比较成熟并得到多方面应
用的燃料电池。氢氧燃料电池的理论比能量达3600瓦·时/公斤。单体电池的工作电压
一般为0.8～0.97伏,为了满足负载所需的工作电压，往往由几十个单体电池串联成电
池组。

一、工作原理

氢氧燃料电池工作时，向阳极和阴极分别输入氢气和氧气（或空气），氢气和氧气在
电极与电解质间的界面上发生电极反应，同时向外电路输出电流。

二、电极反应

若电解质溶液是碱、盐溶液则
负极反应式为：2H+4OHˉ-4eˉ==4H0
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正极为：O+2HO+4eˉ==4OHˉ
22
若电解质溶液是酸溶液则
负极反应式为：2H-4eˉ=4H+（阳离子）
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正极为：O+4eˉ+4H+=2HO
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三、优缺点

1、优点
（1）发电效率高
传统的大型火力发电效率为35%~40%。氢氧燃料电池的能量转换效率可高达60～80%，
为内燃机的2～3倍；此外，火力发电必须达到一定规模后才具有较高的发电效率，而燃
料电池的发电效率却与规模无关。
（2）发电环境友好

发电时不会排放尘埃，二氧化硫，氮氧化物和烃类等火力发电时会排放的污染物。并
且氢氧电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此工作时安静，噪音很低。

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（3）动态响应性好、供电稳定

燃料电池发电系统对负载变动的影响速度快，无论处于额定功率以上的过载运行或低
于额定功率的低载运行，它都能承受，并且发电效率波动不大，供电稳定性高。

（4）自动运行

氢氧燃料电池发电系统是全自动运行，机械运动部件很少，维护简单，费用低，适合
做偏远地区、环境恶劣以及特殊场合（如空间站和航天飞机）的电源。

（5）积木化

氢氧燃料电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电站的现场集成，安装，
施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，维修方便。

（6）燃料来源广泛

氢气可由水电解制取，不依赖石油燃料。水取之不尽，而且每kg水可制备1860升氢
氧燃气。

（7）安全性高

氢气分子量为2,仅为空气的1/14,因此，氢气泄漏于空气中会自动逃离地面，不会
形成聚集。而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。

2、缺点

氢气的制备、存储难。

四、分类

氢氧燃料电池按电池结构和工作方式分为离子膜、培根型和石棉膜三类。
①离子膜氢氧燃料电池：用电池放电时,在氧电极处生成水，通过灯芯将水吸
出。这种电池在常温下工作、结构紧凑、重量轻,但离子交换膜内阻较大,放电电流密度
小。
②培根型燃料电池：属碱性电池。这种电池能量利用率较高，但自耗电大，起
动和停机需较长的时间（起动需24小时，停机17小时）。

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③石棉膜燃料电池：也属碱性电池。这种电池的起动时间仅15分钟，并可瞬
时停机。

五、电池组组成

为维持电池的正常运转，须持续供应氢和氧，及时排除反应产物（水）和废热。电
池组由以下几部分组成：
①氢氧供给分系统：航天器携带的氢和氧采用超临界液态贮存，可缩小贮罐体积，
解决失重条件下气、液态的分离问题，但要求贮罐绝热性能好、耐低温、耐高压（氧罐
为6兆帕、氢罐为3～3.5兆帕）。
②排水分系统：主要有动态排水和静态排水两种方式。前者把带有水蒸气的氢气循
环输送到冷却装置，使水蒸气冷凝成水进行分离；后者依靠多孔纤维编织材料（如灯芯）
将冷凝后的水吸附出来，又称灯芯排水。电池组排出的水经净化后可供航天员饮用或作
冷却剂。
③排热分系统：电池组通过冷却剂（如乙二醇水溶液）循环，将废热带到辐射器向
外排放，以维持电池组正常工作的温度范围。
④自动控制分系统：包括电池组工作压力、温度、排水与排气、电压、安全和冷却
液循环等的控制与调节。所测量的参数传送到航天员座舱的显示器或由遥测设备发回地
面。当电池组出现故障时，自动切换到备份电池组供电。
六、制备氢气的方法
从长远看以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能
量后又生成产物水，不造成环境污染。各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要方法，但其
储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。

1.电解水制氢

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。提供电能使水分解制得氢气的效
率一般在75～85％。但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。水电解制氢能耗仍高，
一般每立方米氢气电耗为4．5～5．5kWh左右。电能可由各种一次能源提供，其中包括矿
物燃料、核能、太阳能、水能、风能及海洋能等等，核能、水能和海洋