關于燃料電池與其他電池的定義和工作原理詳解
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-03 20:16
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一、燃料電池
1、定義
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。
2、工作原理
燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。
以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池：
氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為： 負極：H2 +2OH-→2H2O +2e-
正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應：H2+1/2O2==H2O
另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
優(yōu)點：發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高、噪音低、燃料范圍廣、可靠性高、易于建設
3、分類
（1）SOFC
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800～ 1 000℃下操作,反應氣體不直接接觸 [8] ,因此可以使用較高的壓力以縮小反應器的體積而沒有燃燒或爆炸的危險。
（2）RFC
氫燃料電池以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學反應后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,無污染,發(fā)電效益高。
（3）DMFC
直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。
直接甲醇燃料電池無須中間轉(zhuǎn)化裝置,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,體積能量密度高,還具有起動時間短、負載響應特性佳、運行可靠性高,在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作,燃料補充方便等優(yōu)點。
二、鎳氫電池
1、定義和原理
鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池。鎳氫電池正極活性物質(zhì)為Ni（OH）2（稱NiO電極），負極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱儲氫合金（電極稱儲氫電極），電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。充放電化學反應如下 ：
正極：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-
負極：M+H2O+e-=MHab+OH-
總反應：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH
2、分類
鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。
低壓鎳氫電池具有以下特點：
（1）電池電壓為1.2~1.3V，與鎘鎳電池相當；
（2）能量密度高，是鎘鎳電池的1.5倍以上；
（3）可快速充放電，低溫性能良好；
（4）可密封，耐過充放電能力強；
（5）無樹枝狀晶體生成，可防止電池內(nèi)短路；
（6）安全可靠對環(huán)境無污染，無記憶效應等。
高壓鎳氫電池具有如下特點：
（1）可靠性強。具有較好的過放電、過充電保護，可耐較高的充放電率并且無枝晶形成。具有良好的比特性。其質(zhì)量比容量為60A·h/kg，是鎘鎳電池的5倍。
（2）循環(huán)壽命長，可達數(shù)千次之多。
（3）全密封，維護少。
（4）低溫性能優(yōu)良，在-10℃時，容量沒有明顯改變。
三、鋰電池
1、定義
“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。
2、工作原理
（1）鋰金屬電池：
鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
放電反應：Li+MnO2=LiMnO2
（2）鋰離子電池：
鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。
正極材料：可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。
正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。
充電時：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-
放電時：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。
負極材料：多采用石墨。
負極反應：放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入。
充電時：xLi+ + xe- + 6C → LixC6
放電時：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C
