燃料电池可以定义为通过电化学反应从燃料产生电能的电化学电池。

表中的内容

• 燃料电池定义
• 燃料电池的工作
• 燃料电池的类型
• 燃料电池的应用

什么是燃料电池？

燃料电池需要持续输入燃料和氧化剂（通常是氧气），以维持发电的反应。因此，这些电池可以不断发电，直到燃料和氧气的供应被切断。

尽管燃料电池是在 1838 年发明的，但仅在一个世纪后才开始商业使用，当时它们被 NASA 用于为太空舱和卫星提供动力。今天，这些设备被用作许多设施的主要或次要电源，包括工业、商业建筑和住宅建筑。

燃料电池类似于 电化学电池，由阴极、阳极和电解质组成。在这些电池中，电解质使质子能够运动。

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燃料电池的工作

氢和氧之间的反应可用于通过燃料电池发电。这种电池用于阿波罗太空计划，它有两个不同的用途——它被用作燃料源和饮用水源（电池产生的水蒸气在冷凝后适合人类食用） .

这种燃料电池的工作涉及通过碳电极将氢气和氧气传递到浓氢氧化钠溶液中。细胞反应可写为：

阴极反应：O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^– → 4OH ^–

阳极反应：2H ₂ + 4OH ^– → 4H ₂ O + 4e ^–

净细胞反应：2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

然而，这种电化学反应的反应速率相当低。这个问题在铂或钯等催化剂的帮助下得以解决。为了增加有效表面积，催化剂在被结合到电极之前被精细分割。

下面提供了该燃料电池的框图。

上述燃料电池在发电方面的效率通常接近 70%，而火力发电厂的效率为 40%。这种效率上的巨大差异是因为火力发电厂中的电流产生涉及将水转化为蒸汽，以及使用这种蒸汽来旋转涡轮机。然而，燃料电池提供了将化学能直接转化为电能的平台。

燃料电池的类型

尽管工作方式相似，但存在多种燃料电池。本小节将讨论其中一些类型的燃料电池。

聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池

• 这些电池也称为质子交换膜燃料电池（或 PEMFC）。
• 这些电池工作的温度范围在 50 ^o C 到 100 ^o C之间
• PEMFC 中使用的电解质是一种具有传导质子能力的聚合物。
• 典型的 PEM 燃料电池由双极板、催化剂、电极和聚合物膜组成。
• 尽管在交通运输方面具有环保应用，但 PEMFC 也可用于固定式和便携式发电。

磷酸燃料电池

• 这些燃料电池涉及使用磷酸作为电解质，以引导 H ⁺
• 这些电池的工作温度范围为 150 ^o C – 200 ^o C
• 由于磷酸的非导电性质，电子被迫通过外部电路到达阴极。
• 由于电解液的酸性，这些电池的成分会随着时间的推移而腐蚀或氧化。

固体酸燃料电池

• 在这些燃料电池中使用固体酸材料作为电解质。
• 这些固体酸的分子结构在低温下是有序的。
• 在较高温度下，可能会发生相变，从而导致电导率大幅增加。
• 固体酸的例子包括 CsHSO ₄和 CsH ₂ PO ₄（分别为硫酸氢铯和磷酸二氢铯）

碱性燃料电池

• 这是阿波罗太空计划中用作主要电力来源的燃料电池。
• 在这些电池中，使用碱性水溶液使多孔基质饱和，而多孔基质又用于分离电极。
• 这些电池的工作温度非常低（大约 90 ^o C）。
• 这些细胞是高效的。它们还产生热量和水以及电力。

固体氧化物燃料电池

• 这些电池涉及使用固体氧化物或陶瓷电解质（例如氧化钇稳定的氧化锆）。
• 这些燃料电池效率高，成本相对较低（理论效率甚至可以接近85%）。
• 这些电池的工作温度非常高（下限为 600 ^o C，标准工作温度介于 800 和 1000 ^o C 之间）。
• 固体氧化物燃料电池由于其高工作温度而仅限于固定应用。

熔融碳酸盐燃料电池

• 这些电池中使用的电解质是碳酸锂钾盐。这种盐在高温下变成液体，使碳酸根离子移动。
• 与 SOFC 类似，这些燃料电池也具有 650 ^o C的相对较高的工作温度
• 由于高工作温度和碳酸盐电解质的存在，该电池的阳极和阴极易受腐蚀。
• 这些电池可以由天然气和沼气等碳基燃料提供动力。

燃料电池的应用

燃料电池技术具有广泛的应用。目前，正在进行大量研究以制造由燃料电池驱动的具有成本效益的汽车。下面列出了该技术的一些应用。

• 燃料电池电动汽车或 FCEV 使用清洁燃料，因此比基于内燃机的汽车更环保。
• 它们已被用于为包括阿波罗太空计划在内的许多太空探险提供动力。
• 通常，这些电池产生的副产品是热量和水。
• 一些燃料电池的便携性在一些军事应用中非常有用。
• 这些电化学电池也可用于为多个电子设备供电。
• 在许多偏远地区，燃料电池也被用作主要或备用电源。

因此，本文简要讨论了不同类型的燃料电池和碱性燃料电池的工作原理以及这些电化学电池的一些应用。要了解有关该技术和其他相关主题的更多信息，请在 BYJU'S 注册并在您的智能手机上下载移动应用程序。