燃料电池背后的化学

技术的进步导致了新形式的储能选择的发展。可充电电池等储能设备继续主导市场，但燃料电池正在崛起。自第一个商业化的氢氧燃料电池问世以来，已经将近一个世纪了。燃料电池能源效率1和功率密度的最新进展，加上应对气候变化的努力和绿色能源发电的推动，使它们更具吸引力，尤其是那些使用绿色氢的燃料电池。这篇文章将探讨燃料电池背后的化学原理，以及为支持广泛应用而开发的不同燃料电池变体。

介绍

燃料电池是一种类似于电池的能量产生技术，但有一些根本区别。燃料电池和电池之间的主要区别之一是燃料电池需要持续的燃料源才能发挥作用。相反，电极之间已经存在的离子的穿梭在电池中产生能量。如果提供连续的燃料源——最常见的选择是氢气和氧气——燃料电池可以继续产生能量。燃料电池提供持续电力的能力在某些应用中可能是有利的——例如，作为备用电源2让数据中心摆脱燃烧化石燃料的备用柴油发电机，并作为农村地区的替代电力来源（微电网），这不仅有电力，而且能够显着节省基础设施成本。

燃料电池的工作原理

与标准电池设置一样，燃料电池具有阳极、阴极和电解质（在电极之间），并依靠各种电化学反应产生能量。对于燃料电池来说，是在两个电极上发生的反应产生电能，尽管有许多不同类型的燃料电池，但最常见的工作机制涉及质子（即带正电的氢离子）在电极之间的移动。两个电极都含有催化剂，有助于促进电化学反应并将原料“燃料”分解成相应的电离物质。催化剂确实因燃料电池而异，但它需要是一种可以促进氧和氢反应的材料，因此常见的选择包括铂和镍。

虽然氢是电池的基本燃料，但它们也需要氧气，而这是大多数燃料电池工作需要持续供应的两种基本原料。由于电解质将两个电极隔开，因此存在两个截然不同的电极-电解质界面，这些是发生电化学反应的区域。

当氢气通过阳极进入时，阳极处的电化学反应会带走它们的电子，从而产生带正电的氢离子，即质子。然后释放的电子进入外电路，产生电流，而氢离子则通过电解质到达阴极。电解质充当质子交换膜 (PEM)，只允许带正电的离子通过，排除任何被移除的电子，以便它们只进入外部电路而不会试图扩散到另一个电极，因为这会阻止相关的化学物质发生的反应。氧气也被送入阴极，当催化剂将分子氧分解成带负电的氧离子时，电子被喷射到外电路，与带正电的氢离子以及阴极界面处的氧离子重新结合。结果是水作为最终产品产生，通过燃料电池的废气去除。

燃料电池的不同变体

这种基本的燃料电池机制被称为“氢燃料电池”，是现有最常见的燃料电池类型。虽然这是默认的燃料电池机制，但也有变化。大多数燃料电池的工作原理相似，都需要氢气和氧气作为燃料，但有些还需要其他燃料。所有燃料电池的主要区别在于用于将氢离子传输到阴极的电解质类型。

燃料电池的主要类型有：

碱性燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)

磷酸燃料电池 (PAFC)

固体氧化物燃料电池 (SOFC)

PEM燃料电池

与任何事物一样，不同的变体都有它们的位置，有些仅适用于特定情况。

碱性燃料电池中的“碱”来自所用的电解质，即氢氧化钾（一种碱性物质），它是与其他类型燃料电池的唯一区别，而不是在低温下运行的燃料电池。另一方面，MCFC 在较高温度下运行，并且具有二氧化碳以及氧气和氢气的入口，因为电解质中的碳酸根离子被耗尽，需要通过注入二氧化碳来补充）。MCFC 使用碳酸盐作为电解质。由于它们在较高温度下运行，因此它们并不适合所有应用，尤其是家庭使用，因为高温会导致泄漏。

另一种低温燃料电池 PAFC 使用磷酸作为电解质。然而，PAFC 是一个有趣的变体，因为内部工作原理可以容忍一氧化碳的形成，这意味着汽油可以用作燃料，尽管这不是绿色选择。与其他电池不同，SOFC 和 PEM 燃料电池使用非液体电解质，SOFC 使用金属氧化物陶瓷化合物（例如氧化锆），PEM 燃料电池使用薄且可渗透的聚合物片。SOFC 在非常高的温度下运行，并且由于电解质可能破裂而不是泄漏而再次限制使用。另一方面，PEM 燃料电池属于极低温燃料电池，但效率较低，使用前必须对燃料进行净化。

除了通过电化学反应产生能量外，产生的热量还可以用来产生额外的电能，因此虽然一些温度较高的燃料电池不太稳定，但如果燃料和副产品产生的热量都可以产生更多的能量同时被利用。

结论

虽然有许多不同类型的燃料电池，但它们都通过类似的机制工作。所有燃料电池都需要氢气和氧气才能发挥作用，电极处的电化学反应会分解这些气体以产生水，随后在此过程中产生电能。因此，燃料电池的整体电化学反应是：氢+氧=电+水蒸气。

燃料电池是电池的替代技术，被视为更环保的选择，因为它们只产生对环境无害的水。与许多商用电池相比，它们通常更难实施，但除了绿色环保之外，燃料电池的主要优势之一是只要同时供应氢气和氧气，它们就会一直发电。

利亚姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一名作家、记者和传播者，专门研究化学和纳米技术以及分子水平的基本原理如何应用于许多不同的应用领域。利亚姆最出名的可能是他的信息丰富的方法以及向科学家和非科学家解释复杂的科学主题。Liam 在与化学和纳米技术交叉的各个科学领域和行业发表了 350 多篇文章。

Liam 是欧洲纳米技术工业协会 (NIA) 的高级科学传播官，过去几年一直在为全球的公司、协会和媒体网站撰稿。在成为一名作家之前，利亚姆完成了化学与纳米技术和化学工程的硕士学位。

除了写作之外，利亚姆还是美国国家石墨烯协会 (NGA)、全球组织纳米技术世界网络 (NWN) 的顾问委员会成员，以及英国科学慈善机构 GlamSci 的董事会成员。Liam 还是英国纳米医学学会 (BSNM) 和国际先进材料协会 (IAAM) 的成员，以及多个学术期刊的同行评审员。

审核编辑黄宇