氢氧燃料电池：原理、分类与应用

氢氧燃料电池：原理、分类与应用

氢氧燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的装置，其工作原理基于电化学反应。根据电池结构和工作方式的不同，氢氧燃料电池主要分为离子膜、培根型和石棉膜三类。

氢氧燃料电池的分类

1. 离子膜氢氧燃料电池：采用阳离子交换膜作为电解质的酸性燃料电池，现代技术多使用全氟磺酸膜。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，具有结构紧凑、重量轻的特点，但离子交换膜内阻较大，导致放电电流密度较小。

2. 培根型燃料电池：属于碱性电池。氢、氧电极都是双层多孔镍电极（内外层孔径不同），并添加铂作为催化剂。电解质为80%～85%的苛性钾溶液，室温下是固体，在电池工作温度（204～260°C）下为液体。这种电池能量利用率较高，但自耗电较大，起动和停机需要较长的时间（起动需24小时，停机17小时）。

3. 石棉膜燃料电池：也属于碱性电池。氢电极由多孔镍片加铂、钯催化剂制成，氧电极是多孔银极片，两电极之间夹有含35%苛性钾溶液的石棉膜，再以有槽镍片紧压在两极板上作为集流器，构成气室，封装成单体电池。放电时在氢电极一边生成水，可以通过循环氢的办法排出，也可以使用静态排水法。这种电池的起动时间仅需15分钟，并可实现瞬时停机。与磷酸铁锂电池相比，氢氧燃料电池在环保性方面更具优势。

氢氧燃料电池的工作原理

工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（氧气）。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。

氢氧燃料电池的优点

1. 材料价廉
2. 操作简单
3. 安全
4. 高效
5. 无污染

氢氧燃料电池的电极反应式

• 氢氧燃料电池（中性介质）：

• 正极：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

• 负极：2H2 - 4e- → 4H+

• 总反应式：2H2 + O2 == 2H2O

• 氢氧燃料电池（酸性介质）：

• 正极：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

• 负极：2H2 - 4e-→ 4H+

• 总反应式：2H2 + O2 == 2H2O

• 氢氧燃料电池（碱性介质）：

• 正极：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

• 负极：2H2 - 4e- + 4OH- → 4H2O

• 总反应式：2H2 + O2 == 2H2O

氢氧燃料电池的应用

1. 大型电站发电
2. 便携移动电源
3. 应急电源
4. 家庭电源
5. 飞机、汽车、军舰

氢氧燃料电池作为一种清洁高效的能源转换装置，在未来能源领域具有广阔的应用前景。