話說鋁燃料電池(4):鋁燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)

    如前所述,鋁燃料電池是以鋁的"燃燒"產(chǎn)生電能.這里所說的"燃燒"實(shí)際上就是鋁溶解于堿性溶液(電解質(zhì))中變鋁離子(Al→Al+3+3e),放出3個(gè)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(xué)反應(yīng)放出能量產(chǎn)生電流的過程.我們可以認(rèn)為燃料電池是一個(gè)"工廠",它將燃料(鋁)輸送進(jìn)來,同時(shí)將產(chǎn)生的電輸出,只要有鋁存在就會源源不斷地產(chǎn)生電,這是燃料電池與傳統(tǒng)電池的根本區(qū)別,雖然它們都依賴于電化學(xué)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(shí)還需要催化劑的催化作用,在催化劑的催化作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電的一種化學(xué)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(fù)極之分,電流從正極流向負(fù)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(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)

    鋁燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn),空氣從左邊進(jìn)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(zhǔn)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng),一旦發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)就會產(chǎn)生電流,電流大小與電化學(xué)反應(yīng)速度息息相關(guān),速度越快,產(chǎn)生的電流越多,為此,我們借助催化劑及精細(xì)的反應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)來提高反應(yīng)速度;第三步是離子或電子傳輸,過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生或消耗離子和電子,鋁電極產(chǎn)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(chǎn)生的區(qū)域傳輸?shù)剿鼈兿牡膮^(qū)域,一旦用電線把它們連接起來,電子就會從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極,然而離子的流動就比電子困難得多,因?yàn)樗入娮哟蟮枚?也重不少,必須靠電解質(zhì)傳輸,鋁燃料電池用的電解質(zhì)為堿性溶液.第四步,生成物排出,任何一種燃料電池,除了產(chǎn)生電至少還會生成一種反應(yīng)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(chǎn)生Al(OH)3,必須及時(shí)從電池中排出,否則就會在電池中隨著時(shí)間延長而積累,阻礙鋁與氧反應(yīng),最終電池會"窒息"而死.

    鋁燃料電池有運(yùn)轉(zhuǎn)的五要素:陽極、陰極、電解質(zhì)、催化劑、反應(yīng)生成物,將于下一文中一一介紹.現(xiàn)在,鋁燃料電池已形成一個(gè)非常好的閉路循環(huán).

    鋁燃料電池技術(shù)大致可歸納為:是一種直接的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置,通過電化學(xué)反應(yīng)直接把能量從一種形式(化學(xué)能)轉(zhuǎn)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(gè)"工廠",只要有燃料供給就會源源不斷地產(chǎn)生電;鋁燃料電池必須有陰陽兩個(gè)電極,并被電解質(zhì)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(xué)系統(tǒng)必須包含兩個(gè)成對的半反應(yīng):氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),氧化反應(yīng)釋放電子,還原反應(yīng)消耗電子;氧化反應(yīng)發(fā)生在陽極鋁電極,還原反應(yīng)發(fā)生在陰極電極氧;鋁燃料電池中產(chǎn)生的4個(gè)主要步驟為:燃料鋁和氧這兩個(gè)反應(yīng)物輸送、電化學(xué)反應(yīng)、離子和電子傳導(dǎo)、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(gè)給定的電流負(fù)載下鋁燃料電池的輸出電壓;由于損耗,實(shí)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(shù)據(jù)可見,鋁燃料電池的綜合性能顯著優(yōu)于其他電池的.

    在表1引入的9個(gè)定量指標(biāo)中,最重要的是能量密度和功率密度,現(xiàn)在對它們作一解釋,以便加深對鋁燃料電池的認(rèn)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(chǎn)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(chǎn)生的能量,1W=1J/s,由此可知,能量=功率×時(shí)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(zhì)量功率密度或比功率是指每單位質(zhì)量的器件提供的功率量,其典型單位是W/g或kW/kg.