燃料電池是很有發展前途的新的動力電源，一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料，作為負極，用空氣中的氧作為正極．和一般電池的主要區別在於一般電池的活性物質是預先放在電池內部的，因而電池容量取決於貯存的活性物質的量；而燃料電池的活性物質（燃料和氧化劑）是在反應的同時源源不斷地輸入的，因此，這類電池實際上只是一個能量轉換裝置。這類電池具有轉換效率高、容量大、比能量高、功率範圍廣、不用充電等優點，但由於成本高，系統比較複雜，僅限於一些特殊用途，如飛船、潛艇、軍事、電視中轉站、燈塔和浮標等方面。
基本介紹
- 中文名：氫氧燃料電池
- 外文名：Hydrogen oxygen fuel cell
- 類型：很有發展前途的新的動力電源
- 正極：空氣中的氧
- 燃料：氫氣
- 領域：電力
背景,工作原理,組成結構,電池分類,主要特點,套用領域,研發設備,再生式,靜態排水,
背景
燃料電池是將燃料和電解質的化學能直接轉換成電能的發電裝置，也是繼火電、水電、核電之後的第四種發電裝置，是當今已開發國家十分重視的高新技術開發領域。
工作原理
氫氧燃料電池以氫氣作燃料為還原劑，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，與原電池的工作原理相同。
氫氧燃料電池
氫氧燃料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。接通電路後，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
氫氣和氧氣都可以由電池外提供。
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：
若電解質溶液是鹼、鹽溶液則
負極反應式為：
正極反應式為：
若電解質溶液是酸溶液則
負極反應式為：
正極反應式為：
總反應方程式為：
在鹼溶液中，OHˉ含量極高，故負極處生成的H+會直接與OHˉ結合生成水，而正極處生成的OHˉ由於缺少H+結合而以離子的形態存在。酸性溶液則正好相反。
組成結構
以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池。氫氧從外部通過管道輸入電池進行電化學反應並輸出電能。氫氧燃料電池的理論比能量達3600瓦·時/公斤。單體電池的工作電壓一般為0.8～0.97伏,為了滿足負載所需的工作電壓，往往由幾十個單體電池串聯成電池組。
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：太空飛行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）將冷凝後的水吸附出來，又稱燈芯排水。電池組排出的水經淨化後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。
電池分類
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。
原理示意圖
原理示意圖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。
主要特點
1.產物是水，清潔環保;
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。
套用領域
作為極具發展前途的新動力電源，氫氧燃料電池的套用領域是多方面的：
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
研發設備
再生式
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太空飛行器負載，還用於將水電解成氫和氧，使部分電能貯存起來。太空飛行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。氫氧燃料電池是不需要將還原劑和氧化劑 全部儲藏在電池內的裝置。
靜態排水
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組，該模組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。
