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简述铝燃料动力电池系统的运转

发布日期:2022-03-16 08:32:04

 如前所述,铝燃料电池是以铝的“燃烧”产生电能。这里所说的“燃烧”实际上就是铝溶解于碱性溶液(电解质)中变铝离子(Al→Al+3+3e),放出3个电子(3e),是阳极,电子向阴极“跑”与空气中的氧之间的简单电化学反应放出能量产生电流的过程。我们可以认为燃料电池是一个“工厂”,它将燃料(铝)输送进来,同时将产生的电输出,只要有铝存在就会源源不断地产生电,这是燃料电池与传统电池的根本区别,虽然它们都依赖于电化学原理而工作。铝燃料电池由铝板阳极、空气板阴极和电解液组成。电解液一般为碱性溶液。铝燃料电池工作时还需要催化剂的催化作用,在催化剂的催化作用下发生化学反应而发电的一种化学电源。

 

对原电池如铝燃料电池来说,铝释放电子,变成离子,铝是阳极,空气为阴极,阳极与阴极接通后,电子从阴极跑向阳极,而对普通的电池来说,有正、负极之分,电流从正极流向负极。铝燃料电池为铝电解的逆过程。

 

铝燃料电池

 

铝燃料电池系统的运转,空气从左边进入,过滤清洗后流入铝燃料电池堆(铝空电池堆)阴极,这是第一步,也就是说要准备好足够的阳极铝板和供给氧的空气阴极板,以供给足够的氧;第二步是发生电化学反应,一旦发生电化学反应就会产生电流,电流大小与电化学反应速度息息相关,速度越快,产生的电流越多,为此,我们借助催化剂及精细的反应区域设计来提高反应速度;第三步是离子或电子传输,过程中发生的电化学反应将产生或消耗离子和电子,铝电极产生的离子被另一边空气(氧)电极消耗,电子也一样,为了保持电荷平衡,必须把它们从产生的区域传输到它们消耗的区域,一旦用电线把它们连接起来,电子就会从一个电极流向另一个电极,然而离子的流动就比电子困难得多,因为它比电子大得多,也重不少,必须靠电解质传输,铝燃料电池用的电解质为碱性溶液。第四步,生成物排出,任何一种燃料电池,除了产生电至少还会生成一种反应物,即使最简单的氢-氧燃料电池也会生成水,铝燃料电池会产生Al(OH)3,必须及时从电池中排出,否则就会在电池中随着时间延长而积累,阻碍铝与氧反应,最终电池会“窒息”而死。

 

铝燃料电池有运转的五要素:阳极、阴极、电解质、催化剂、反应生成物,将于下一文中一一介绍。现在,铝燃料电池已形成一个非常好的闭路循环。

 

铝燃料电池技术大致可归纳为:是一种直接的电化学能量转换装置,通过电化学反应直接把能量从一种形式(化学能)转换成另一种能形式——电能;铝燃料电池不像一般的电池,不会耗尽,而更像一个“工厂”,只要有燃料供给就会源源不断地产生电;铝燃料电池必须有阴阳两个电极,并被电解质一分为二;铝燃料电池的功率取决于其尺寸,能量取决于它的燃料存储量;电化学系统必须包含两个成对的半反应:氧化反应和还原反应,氧化反应释放电子,还原反应消耗电子;氧化反应发生在阳极铝电极,还原反应发生在阴极电极氧;铝燃料电池中产生的4个主要步骤为:燃料铝和氧这两个反应物输送、电化学反应、离子和电子传导、生成物Al(OH)3排除;用电流-电压曲线评估铝燃料电池性能,它表示在一个给定的电流负载下铝燃料电池的输出电压;由于损耗,实际的铝燃料电池性能总比理想的燃料电池差,主要损耗类型:活化损耗,欧姆(电阻)损耗,浓度损耗。

 

铝燃料电池与其他电池的性能对比见表1,由表中的数据可见,铝燃料电池的综合性能显着优于其他电池的。

 

在表1引入的9个定量指标中,最重要的是能量密度和功率密度,现在对它们作一解释,以便加深对铝燃料电池的认识。能量被定义为做功的能力,常用单位为J(焦耳)或Cal(卡路里或卡);功率被定义为能量消耗或产生的速率,它的典型单位是W(瓦特或瓦),表示每秒钟消耗或产生的能量,1W=1J/s,由此可知,能量=功率×时间。

 

体积功率密度是指每单位体积(cm3、m3、L)的器件可提供的功率量,其典型单位为W/cm3或kW/m3。质量功率密度或比功率是指每单位质量的器件提供的功率量,其典型单位是W/g或kW/kg。

 

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