話說鋁燃料電池(4):鋁燃料電池系統的運轉

    如前所述,鋁燃料電池是以鋁的"燃燒"產生電能.這里所說的"燃燒"實際上就是鋁溶解于堿性溶液(電解質)中變鋁離子(Al→Al+3+3e),放出3個電子(3e),是陽極,電子向陰極"跑"與空氣中的氧之間的簡單電化學反應放出能量產生電流的過程.我們可以認為燃料電池是一個"工廠",它將燃料(鋁)輸送進來,同時將產生的電輸出,只要有鋁存在就會源源不斷地產生電,這是燃料電池與傳統電池的根本區別,雖然它們都依賴于電化學原理而工作.鋁燃料電池由鋁板陽極、空氣板陰極和電解液組成.電解液一般為堿性溶液.鋁燃料電池工作時還需要催化劑的催化作用,在催化劑的催化作用下發生化學反應而發電的一種化學電源.

    對原電池如鋁燃料電池來說,鋁釋放電子,變成離子,鋁是陽極,空氣為陰極,陽極與陰極接通后,電子從陰極跑向陽極,而對普通的電池來說,有正、負極之分,電流從正極流向負極.鋁燃料電池為鋁電解的逆過程.

    話說鋁燃料電池(4):鋁燃料電池系統的運轉

    鋁燃料電池系統的運轉,空氣從左邊進入,過濾清洗后流入鋁燃料電池堆(鋁空電池堆)陰極,這是第一步,也就是說要準備好足夠的陽極鋁板和供給氧的空氣陰極板,以供給足夠的氧;第二步是發生電化學反應,一旦發生電化學反應就會產生電流,電流大小與電化學反應速度息息相關,速度越快,產生的電流越多,為此,我們借助催化劑及精細的反應區域設計來提高反應速度;第三步是離子或電子傳輸,過程中發生的電化學反應將產生或消耗離子和電子,鋁電極產生的離子被另一邊空氣(氧)電極消耗,電子也一樣,為了保持電荷平衡,必須把它們從產生的區域傳輸到它們消耗的區域,一旦用電線把它們連接起來,電子就會從一個電極流向另一個電極,然而離子的流動就比電子困難得多,因為它比電子大得多,也重不少,必須靠電解質傳輸,鋁燃料電池用的電解質為堿性溶液.第四步,生成物排出,任何一種燃料電池,除了產生電至少還會生成一種反應物,即使最簡單的氫-氧燃料電池也會生成水,鋁燃料電池會產生Al(OH)3,必須及時從電池中排出,否則就會在電池中隨著時間延長而積累,阻礙鋁與氧反應,最終電池會"窒息"而死.

    鋁燃料電池有運轉的五要素:陽極、陰極、電解質、催化劑、反應生成物,將于下一文中一一介紹.現在,鋁燃料電池已形成一個非常好的閉路循環.

    鋁燃料電池技術大致可歸納為:是一種直接的電化學能量轉換裝置,通過電化學反應直接把能量從一種形式(化學能)轉換成另一種能形式——電能;鋁燃料電池不像一般的電池,不會耗盡,而更像一個"工廠",只要有燃料供給就會源源不斷地產生電;鋁燃料電池必須有陰陽兩個電極,并被電解質一分為二;鋁燃料電池的功率取決于其尺寸,能量取決于它的燃料存儲量;電化學系統必須包含兩個成對的半反應:氧化反應和還原反應,氧化反應釋放電子,還原反應消耗電子;氧化反應發生在陽極鋁電極,還原反應發生在陰極電極氧;鋁燃料電池中產生的4個主要步驟為:燃料鋁和氧這兩個反應物輸送、電化學反應、離子和電子傳導、生成物Al(OH)3排除;用電流-電壓曲線評估鋁燃料電池性能,它表示在一個給定的電流負載下鋁燃料電池的輸出電壓;由于損耗,實際的鋁燃料電池性能總比理想的燃料電池差,主要損耗類型:活化損耗,歐姆(電阻)損耗,濃度損耗.

    鋁燃料電池與其他電池的性能對比見表1,由表中的數據可見,鋁燃料電池的綜合性能顯著優于其他電池的.

    在表1引入的9個定量指標中,最重要的是能量密度和功率密度,現在對它們作一解釋,以便加深對鋁燃料電池的認識.能量被定義為做功的能力,常用單位為J(焦耳)或Cal(卡路里或卡);功率被定義為能量消耗或產生的速率,它的典型單位是W(瓦特或瓦),表示每秒鐘消耗或產生的能量,1W=1J/s,由此可知,能量=功率×時間.

    體積功率密度是指每單位體積(cm3、m3、L)的器件可提供的功率量,其典型單位為W/cm3或kW/m3.質量功率密度或比功率是指每單位質量的器件提供的功率量,其典型單位是W/g或kW/kg.