氢氧燃料电池能量转化

　　燃料电池概述

 

　　燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极．和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质（燃料和氧化剂）是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，但由于成本高，系统比较复杂，仅限于一些特殊用途，如飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。

　　氢氧燃料电池能量转化

　　反应电极是疏松多孔的碳棒化学能转化为电能。氢气氧气变成水，化学能减少，在酸溶液中：

　　负极反应式为：2H₂-4e﹣==4H﹢

　　正极反应式为：O₂ + 4H+ +4eˉ= 2H₂O;

　　如是在碱溶液中，则不可能有H+出现，

　　在酸溶液中，也不可能出现OHˉ。

　　若电解质溶液是碱、盐溶液则：

　　负极反应式为：2H₂ + 4OHˉ-4eˉ= 4H₂0

　　正极为：O₂ + 2H₂O + 4eˉ= 4OHˉ

　　若电解质溶液是酸溶液则：

　　负极反应式为：2H₂-4eˉ=4H+（阳离子），

　　正极为：O₂+4eˉ+4H+=2H₂O

　　氢氧燃料电池能量转换效率

　　太阳能电池所发的电能，经可再生氢-氧燃料电池装置的蓄电-发电后要打很大的折扣：①电解水的能量转换效率不到90%；②目前由氢、氧化学能发电的能量转换效率只有40%左右（60%为废热），所得总转换效率仅35%左右。也就是说，太阳能电池发的1度电，经可再生氢-氧燃料电池装置蓄能-发电循环后，只剩下0.35度电；③与其他蓄电池装置不同，燃料电池装置有许多辅助部件，它们在运行中还得消耗能量，其百分点随设计而异，大约在10至20之间，即向装置外提供的能量大约只有0.3度电，即实际可用的能量转换效率大约只有30%。美国为“Helios”无人飞机研制的URFC，系统的效率就是31.6%。

　　要特别提醒的是，这里所说的能量转换效率与地面上的实质不完全相同。在地面上，电能来自电网，电网的重量不加考虑；而空间飞行器的电能来自太阳能电池，能量转换效率打三折，意味着用于燃料电池装置电解水的那一部分太阳能电池的发电量也打了三折。如果“白天”、“黑夜”各以12小时计（实际上“白天”有效发电时间还不到12小时），则整个太阳能电池只有1／（1+1/0.3） =23%用于“白天”供电，而用于“黑夜”供电的部分要占77%。可见，燃料电池装置实际可用的能量转换效率越低，所需与之配套的太阳能电池在整个太阳能电池中所占的比例就越大。

　　相比之下，锂离子电池（ IIB）装置的充电-放电循环转换效率可达到90%，与之配套的太阳能电池就可大为减少。目前，锂离子电池的比能量已达200Wh/kg（钢壳）或230Wh/kg（软包装），低倍率（0.1C）充、放电的安全性也不成问题。

　　一体式可再生氢-氧燃料电池装置虽然目前比能量还较高，但能量转换效率远低于锂离子电池，而且很难显著提高。于是就有一个如何评价、比较它们优势的问题，与之连带的就有在空间飞行器科研项目中如何安排电源分系统的研制问题。

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